Projet
Le Matériel - le kit LEAPS
Le matériel est un kit de développement LEAPS constitué de 6 modules UWB : cinq boîtiers blancs standards (utilisés comme ancres fixes et Gateway), et un module spécifique gris à deux antennes utilisé comme Tag mobile. Ce choix matériel permet au capteur porté par l'utilisateur de bénéficier d'une meilleure sensibilité et de capacités de détection d'orientation.
Fonctionnement de la Localisation UWB
Contrairement au Bluetooth (RSSI) qui estime une distance selon la puissance du signal (peu précis), la technologie UWB utilise le temps de parcours du signal radio. Voici comment notre système calcule la position d'une personne au centimètre près.
1. La Technologie UWB (Ultra Wideband)
L'UWB se distingue par l'envoi d'impulsions radio très brèves (moins d'une nanoseconde) sur une large bande de fréquences.
- Avantage clé : Cette brièveté permet de filtrer les réflexions du signal sur les murs (multipath), rendant la technologie idéale pour un environnement intérieur complexe comme la MIB.
2. Le calcul de distance : Time of Flight (ToF)
Pour connaître la distance entre une Ancre (fixe) et un Tag (mobile), le système utilise le principe du Time of Flight (ToF). Le tag envoie un signal, l'ancre le reçoit et renvoie un accusé de réception. En mesurant le temps total de l'aller-retour (Delta t), on déduit la distance (d) grâce à la vitesse de la lumière (c).
Cette méthode permet d'obtenir une précision de l'ordre de 10 cm, indispensable pour notre projet.
3. Le calcul de position : La Trilatération
Une seule distance ne suffit pas. Le serveur utilise la trilatération (intersection de sphères) pour déterminer la position exacte :
Avec 1 ancre, le tag est situé quelque part sur un cercle autour de l'ancre.
Avec 3 ancres ou plus, l'intersection des cercles donne un point unique (X, Y). Notre système combine également l'Angle d'Arrivée (AoA).
Architecture Globale
Pour répondre aux contraintes de temps réel de la MIB, nous avons conçu une architecture IoT modulaire. Le flux de données suit le parcours suivant :
Acquisition : Le système UWB (les ancres) calcule la position brute (X, Y, Z).
Transmission : Les données sont envoyées au format JSON via le protocole MQTT par le serveur LEAPS.
Traitement : Un flux Node-RED intercepte les messages et extrait les coordonnées.
Stockage : Les données sont écrites en direct dans une base de données locale (fichier .db) hébergée sur le serveur, que nous récupérons ensuite pour l'analyse des mouvements.
Infrastructure Logicielle & Traitement
Serveur & Base de Données Embarquée
Afin de rendre le système autonome, toute l'intelligence logicielle a été migrée sur un Raspberry Pi connecté au réseau local. Nous avons utilisé la virtualisation par conteneurs Docker pour orchestrer les services critiques, tout en simplifiant la couche de stockage : Broker MQTT (Mosquitto) : Centralise les messages publiés par la Gateway LEAPS sur des topics spécifiques (ex: leaps/1234/node/uplink/location/81bc)
- Node-RED : Notre moteur de règles s'abonne au flux MQTT. Il formate les données JSON et utilise le module node-red-node-sqlite
- Stockage SQLite (.db) : Au lieu d'une base de données complexe, nous avons opté pour une solution légère et performante adaptée au Raspberry Pi. Les positions (X, Y) sont enregistrées séquentiellement dans un fichier base de données (.db) directement sur le serveur. Ce fichier constitue notre "Log" complet des déplacements, récupérable à tout moment pour analyse.
Déploiement et Validation Expérimentale
La théorie, c'est bien, mais la pratique, c'est mieux. Nous nous sommes rendus à la MIB pour installer notre infrastructure en conditions réelles. L'objectif : vérifier si la promesse des "10-30 cm de précision" est tenue.
Sur la photo ci-contre, vous pouvez voir l'installation des ancres en hauteur pour optimiser la ligne de vue. La vidéo illustre nos tests de calibration : nous avons déplacé le tag sur des repères connus au sol pour mesurer l'écart entre la réalité et la position calculée par l'algorithme. Résultat : une assez bonne fiabilité de l'ordre de 10 à 20cm.