Techniques embarquées de localisation indoor exploitant le protocole Bluetooth pour des objets connectés basse consommation

Embedded Techniques for indoor positioning of low-power connected devices using Bluetooth

• Auteur / Autrice : Xavier Tolza
• Direction : Jean-Yves Fourniols, Pascal Acco
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 30/09/2020
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Sonia Ben Dhia
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Jean-Yves Fourniols, Pascal Acco, Camel Tanougast, Pascal Charge, Yoann Charlon
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Camel Tanougast, Pascal Charge

Mots clés

Mots clés contrôlés

Bluetooth (technologie)

Internet des objets

Systèmes de positionnement en intérieur

Systèmes embarqués (informatique)

Mots clés libres

Géolocalisation

Système embarqués

Protocole

Ism

Iot

Geolocating

Positionning

Embedded system

IoT

Résumé

La localisation est une information exploitée par de nombreux domaines aussi bien dans le civil que le militaire : guerre, exploration, navigation aéronautique/navale/spatiale, construction, logistique, etc.Depuis la seconde guerre mondiale et la démocratisation des équipements radios grand public (téléphones, récepteurs GNSS, etc.), la localisation par ondes radio s'est progressivement imposée comme la méthode standard de localisation dans un grand nombre de domaines.Depuis le siècle dernier jusqu'à aujourd'hui, les capacités des systèmes de localisation ont augmentées, grâce à l'amélioration constante de la puissance de calcul des circuits intégrés et leur miniaturisation, permettant d'intégrer des fonctionnalités de localisation dans un nombre croissant d'équipements mobiles. La mesure des signaux radios et les calculs nécessaires à l'estimation de position peuvent maintenant se faire sur des équipements embarqués de taille réduite.Cependant, les solutions actuelles utilisent la plupart du temps des équipements radios fixes et alimentés en filaire pour permettre la localisation des objets connectés mobiles. Or, il est préférable pour de nombreux cas d'utilisation que l'intégralité du système soit sur batteries : déploiements temporaires, environnements sans réseau d'alimentation, coûts d'installation trop importants. Il est donc nécessaire d'évaluer et d'améliorer l'autonomie énergétique des algorithmes de localisation actuels.De nombreux objets connectés sont déjà en circulation, la recherche autour d'un système de localisation compatible avec ces équipements déjà existants suscite un grand intérêt de recherche. Une grande partie des objets connectés actuels utilisant des protocoles standardisés dans la bande ISM 2.4GHZ, de nombreuses études évaluent la pertinence des protocoles radio standard qui l'utilisent. Le standard Bluetooth est très répandu et économe en énergie, ce qui en fait un candidat intéressant pour la localisation en intérieur. Les études présentant un système de localisation utilisant ce protocole sont nombreuses, mais il n'y a pas de comparatif concluant sur les performances des principaux algorithmes existants en utilisant un matériel ultra basse consommation.L'objectif de cette étude est d'étudier et de développer un système de localisation appliqué à la localisation en intérieur, utilisant le protocole Bluetooth et entièrement autonome sur batterie. Une comparaison entre les principales techniques et algorithmes déjà existants (puissance de réception (RSSI), temps d'arrivée (ToA) et angle d'arrivée (AoA)) sera effectuée et l'autonomie énergétique sera évaluée.Dans un premier temps, les modèles physiques de ces trois techniques sont comparées, et une optimisation paramétrique permettant de remonter à une position à partir des mesures brutes est présentée. Différentes stratégies de gestion de l'énergie sont présentées et les méthodes utilisées pour effectuer les mesures pour la localisation à basse consommation sont détaillées.Finalement, Les performances énergétiques du système sont évaluées, l'autonomie globale est estimée et la fonction de répartition de l'erreur de position est donnée pour chacune des trois techniques comparées.

Localization is an information used by many fields in both the civil and military sectors: war, exploration, aeronautical/naval/space navigation, construction, logistics, etc.Since the Second World War and the democratization of consumer radio equipment (telephones, GNSS receivers, etc.), localization by radio waves has gradually established itself as the standard method of localization in a large number of fields.From the last century until today, the capacities of localization systems have increased, thanks to the constant improvement of the computing power of integrated circuits and their miniaturization, making it possible to integrate localization functionalities in an increasing number mobile equipment. The measurement of radio signals and the calculations necessary for position estimation can now be performed on small on-board equipment.However, current solutions mostly use fixed and wired radio equipment to allow the location of mobile connected objects. However, it is preferable for many use cases that the entire system runs on batteries: temporary deployments, environments without a power network or too high installation costs. It is therefore necessary to assess and improve the energy autonomy of current location algorithms.Many connected objects are already in circulation, research around a location system compatible with those already existing equipment arouses great research interest. A large part of current connected objects using standardized protocols in the 2.4GHZ ISM band, numerous studies assess the relevance of those signals for indoor positioning. The Bluetooth standard is widely used and energy efficient, making it an attractive candidate for indoor location. The studies presenting a localization system using this protocol are numerous, but there is no conclusive comparison on the performances of the main existing algorithms using ultra low consumption equipment.The objective of this study is to study and develop a localization system applied to indoor localization, using the Bluetooth protocol and fully autonomous on battery. A comparison between the main existing techniques and algorithms (reception power (RSSI), arrival time (ToA) and angle of arrival (AoA)) will be carried out and energy autonomy will be assessed.First, the physical models of these three techniques are compared, and a parametric optimization to estimate a position from the raw measurements is presented. Different energy management strategies are presented and the methods used to carry out the measurements for location with low consumption are detailed.Finally, the energy performance of the system is evaluated, the overall autonomy is estimated and the position error distribution function is given for each of the three compared techniques.