Conception d'un système d'antennes pour la localisation en temps réel avec réseau de capteurs sans fils.

Conceiving a antenna system for a real-time locating system applied to wireless sensor networks

• Auteur / Autrice : Evanaska Maria Barbosa Nogueira
• Direction : Fabien Ndagijimana, Tân-Phu Vuong
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Sciences et technologie industrielles
• Date : Soutenance le 13/12/2013
• Etablissement(s) : Grenoble
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale électronique, électrotechnique, automatique, traitement du signal (Grenoble ; 199.-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Institut de la Microélectronique, Electromagnétisme et Photonique
• Jury : Président / Présidente : Robert Staraj
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Mauricio Dias, René Vezinet, Jean-Daniel Arnould, Fabrice Boust, Lucien Prisse, François Issac
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Fouzia Boukour, Ke Wu

Mots clés

Mots clés contrôlés

Réseaux de capteurs (technologie)

Localisation par satellites, Systèmes de

RSSI (télécommunications)

Mots clés libres

Antenne

Capteur

Diversité

RTLS

RSSI

Antenna

Sensor

Diversity

RTLS

RSSI

Résumé

Les systèmes de localisation en temps réel (Real-Time Locating System - RTLS) sont de plus en plus employés dans l'industrie. Ils permettent l'automatisation de diverses tâches telles que l'identification et le suivi des objets au long de la chaîne d'approvisionnement, la surveillance d'équipements dans les usines et la sécurisation des biens. Ces systèmes sont basés sur des capteurs électroniques sans fil à faible puissance et à faible coût avec des antennes intégrées. Dans notre contexte, deux types de capteurs sont utilisés. Les tags de référence sont généralement fixés sur les murs tandis que les tags mobiles sont fixés sur les objets qui doivent être suivis. Notre système RTLS (Real Time Localisation System) exploite la puissance du signal reçu (Received Signal Strength Indication - RSSI) pour calculer la localisation des tags mobiles. Toutefois, la performance de ce système peut être influencée par plusieurs facteurs. Tout d'abord, par rapport à l'antenne, la non-uniformité du diagramme de rayonnement et le non-alignement de la polarisation des antennes peuvent affecter la puissance du signal reçu. De plus, l'impact de l'environnement résulte sur des multi-trajets qui dégradent la précision de la localisation. Dans la première partie de ce travail, nous proposons une solution pour le tag de référence en utilisant un plan réflecteur en métal pour améliorer son diagramme de rayonnement. Nous avons effectué plusieurs expériences utilisant un logiciel de simulation et nous démontrons que l'utilisation d'un plan réflecteur en métal améliore considérablement la précision de la localisation de notre système. Dans la deuxième partie, nous proposons d'utiliser des techniques de diversité d'antenne pour le tag mobile afin de minimiser les effets des multi-trajets et d'améliorer le diagramme de rayonnement afin de couvrir tout l'espace souhaité pour la localisation. Nos solutions se composent de trois antennes intégrées sur le boîtier en plastique du tag, alliant la diversité de diagramme et de polarisation. Nous proposons une première structure avec trois antennes PIFAs manufacturées et fixées à l'extérieur du boîtier, un deuxième système avec deux antennes IFAs et enfin une antenne patch triangulaire sur un substrat permettant de plier les antennes, de façon à pouvoir rentrer la structure dans le boîtier du tag. Ces systèmes ont été simulés dans différents configurations de scénario afin de valider l'amélioration apportée par nos solutions. Finalement, des expérimentations ont été menées afin de comparer les systèmes proposés dans un environnement réel. Les résultats montrent que l'erreur de localisation a été divisée par un facteur proche de trois par rapport au système d'origine.

Real-Time Locating Systems (RTLS) have been increasingly employed by the industry. They allow the automation of several tasks such to identify and track objects throughout the supply chains, to watch equipment under surveillance in factories and to secure goods. These systems are usually based on low-power and low-cost wireless electronic sensors with integrated antennas. In our context, two types of sensors are used. The reference tags are generally fixed on the walls whereas mobile tags are fixed on objects that must be tracked. In particular, our RTLS uses the Received Signal Strength Indication (RSSI) to compute the location of mobile tags at 2.4GHz frequency band. However, the performance of such system can be influenced by several factors. On the one hand, the non-uniformity of the radiation pattern and the antenna polarization mismatch can affect the received signal power. On the other hand, the impact of the environment results in multipaths, which degrade the localization precision. In the first part of this thesis, we propose an approach based on a metal plane reflector to improve the radiation pattern of reference tags. We performed several experiments using a microwave simulator and we show that the metal plane reflector considerably improves the localization accuracy of our system. In the second part, we propose to use antenna diversity techniques on mobile tags to minimize multipath effects while improving the radiation pattern. Our three solutions are based on integrated antennas fixed on the tag's plastic case, combining pattern and polarization diversity. Firstly, we propose a structure composed of three Planar Inverted-F Antennas (PIFAs) manufactured and fixed outside of the plastic case. Secondly, we propose a system composed of two Inverted-F Antennas (IFAs). Then, we propose a system composed of a triangular patch antenna on a substrate that allows it to be fixed inside the plastic case. We simulated those systems in different scenarios to analyze and validate the localization improvements brought by our solutions. Finally, we performed real experiments to compare the efficiency of the proposed systems in a real environment. Our results show that the localization error was reduced approximately by a factor of three in comparison to the original system.