Ski-locator

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Introduction

La recherche d’un ski perdu est une expérience déplaisante par l’effort que nécessite la recherche ainsi que par l’idée de devoir acheter une nouvelle paire de ski. La présence de neige poudreuse et de pentes rendent difficile cette recherche car il est difficile de deviner l’emplacement du ski.

Le produit que l’on décrira ici à pour but de remédier à ce problème en utilisant les moyens offerts par l’IoT et de révolutionner le produit Ski-locator avec cette nouvelle version.

Description du produit

Ski-locator sera muni de deux émetteurs fixés aux ski qui permettront de les localiser sur son smartphone.

Transmission et localisation

Lorsqu’il s’agit de localiser les ski et de transmettre leur position plusieurs combinaisons de technologies peuvent être utilisées. Voici la liste des combinaisons qui ont été évaluées.

Avantages Inconvénients
LoRa et GPS
  • Longue distance
  • Ne nécessite pas de couverture réseau
  • Faible atténuation du LoRa dans la neige
  • Nécessite un gateway bluetooth/Lora pour communiquer avec un smartphone
GSM et GPS
  • Longue distance
  • Transmission quasi-directe au smartphone
  • Nécessite couverture réseau
Bluetooth (Force du signal)
  • Transmission directe au smartphone
  • Simple a implémenter
  • Portée limitée (50m)
  • Précision de localisation bluetooth limitée
Zigbee (Force du signal)
  • Ne nécessite pas de couverture réseau
  • Portée limitée (30m)
  • Nécessite un gateway

Exigence des émetteurs

Les conditions d’exploitation du produit ont de nombreuses implications:

  • La couverture réseau sera rare
  • Les émetteurs risquent d'être ensevelis sous la neige.
  • Les conditions météorologiques peuvent perturber le signal

Concernant le premier point, on choisit d'éliminer l’utilisation du GSM. Les technologies restantes offrent des portées variables, des techniques de localisation différentes (force du signal ou GPS) et des contraintes (présence de gateway).

Le LoRa offrant la meilleure transmission dans la neige et la plus grande portée de transmission, il s’agit de cette technologie qu’on choisira malgré la contrainte d’utiliser un gateway LoRa à Bluetooth pour communiquer avec le smartphone. Ce choix s’est aussi fait après avoir comparé les différents microcontrôleurs sur le marché.

Concernant la localisation GPS, une étude (voir références) indique qu’elle est possible jusqu'à une certaine profondeur sous la neige (1m). Néanmoins, on prévoira d’utiliser la force du signal afin de compléter la localisation GPS.

Afin de pouvoir fixer les émetteurs aux skis, il faut que ces derniers aient une largeur inférieure à 8 cm et soient de faible consommation électrique. Ajouter des batteries de taille importante peut être encombrant pour le skieur.

Matériel

Emetteurs

LoraONE est la carte idéale pour avoir à disposition LoRa et GPS.

Spécifications carte LoRaOne

Cette carte correspond parfaitement à nos besoins par sa taille réduite ainsi que la présence du LoRa et du GPS sur une même carte. De plus, la présence d’un accéléromètre permet de ne relever la position GPS qu’après avoir détecté un mouvement.

Microcontroleur ATSAMD21G18 Cortex M0+ (ARM 32 bits)
Compatibilité

Arduino M0

Dimensions

40 x 25 mm

Alimentation

3.3 V

Mémoire flash

256 Ko

SRAM

32 Ko

Module LoRa

RN2483  : 433MHz et 868MHz

Module GPS

u-blox EVA 7M

Accéléromètre

LSM303D

Gateway

Le choix du gateway est assez limité. Il est nécessaire qu’il puisse communiquer à l’aide de LoRa et du Bluetooth.

LopySide.png

Microcontroleur ESP32 Dual Core
Alimentation

3.3 à 5.5 V

Dimensions

55 x 20 x 3.5 mm

RAM

512 Ko

Module Lora SX1272 (868 MHz)

Lopy est un gateway qui remplit tous les critères requis à l'exception d’un problème : il n’est capable de transmettre avec LoRa que dans la bande des 868 MHz. Les seules études concrètes trouvées indiquent une meilleure transmission à travers la neige sur la bande 433 MHz que sur la bande 868 MHz.

N’ayant pas d’indications sur la qualité de transmission de la bande 868 MHz dans la neige, une alternative à Lopy dû être trouvée.

GatewayLoRaBluetooth.png

Microcontroleur ESP32 Dual Core
Alimentation

3.3 à 7 V

Dimensions

50 x 25 x 9.75 mm

RAM

520 Ko

Module Lora SX1278 (433 MHz)

Ce gateway peut transmettre à 433 MHz et fournit une bonne alternative à Lopy. Toutefois, des tests de transmission dans la neige devront être réalisés pour déterminer quel bande de fréquence convient le mieux à nos besoins.

Le gateway sera conservé par le skieur et ne sera activé qu'à la perte du ski. Ce qui permet d’économiser l'énergie de l'émetteur.

Alimentation

AlimSkiLocator.png

Capacité 1800mAh
Voltage

3.7 V

Poids

20g

Dimensions

10 x 34 x 50 mm

Boîtier

Le boîtier doit répondre à certains critères :

  • étanchéité afin d’éviter les dégâts dus à l’infiltration de la neige dans le boîtier.
  • relative solidité afin d’encaisser les chocs dûs à la pratique du ski.
  • fixation performante dont dépend l’usage du dispositif.
  • poids inférieur à 200g.

BoitierSkiLocator.png

Ce boitier est imperméable et sera utilisé pour nos prototypes.

Coût matériel d'un prototype

Élément Quantité Prix
LoRaONE 2 180€
Gateway 433MHz 1 14€
Batteries 3 8€
Boîtiers 3 44€
Total 246€

Le coût matériel pour réaliser un prototype pour nos tests est de 246€.

Ce prototype gardera le gateway 433MHz avec l’hypothèse que les ondes électromagnétiques à cette fréquence seront moins atténuées que celles à 868 Mhz.

Réalisation du prototype

Fixation de l'émetteur

La fixation devra résister au froid et au chocs dû à la pratique du sport. Utiliser de la colle forte et lier le boîtier au ski à l’aide d’une languette afin d’assurer que le boitier restera sur place. L’utilisation de la colle a l’avantage de ne pas abimer les ski comme le souhaiteraient les clients.

Pour les modèles de série, un système de fixation analogue à celui utilisé pour les chaussures de ski sera recherché, afin de permettre une indépendance à l’émetteur d’être fixé ou retiré du ski à volonté.

Autonomie de l’alimentation

L’autonomie de la batterie est fortement limitée par les transmissions d’informations. La réception étant plus coûteuse que l’émission, on minimise les temps d’écoute du récepteur.

L’idée est d’envoyer des “heartbeats” (battements de coeur) en LoRa. Ces courts messages provenant de l'émetteur permettent d’obtenir la puissance du signal et d’estimer la distance. Ils pourront aussi contenir d’autres informations tel qu’une liste des dernières coordonnées obtenues par le GPS.

Les “heartbeats” seront envoyés avec une fréquence de 60 secondes afin de préserver la durée de vie. L’utilisateur devra donc attendre une durée maximale de 1 minute avant de recevoir le premier signal du ski perdu.

Chaque “heartbeat” sera suivi d’une période d'écoute. Cette période permettra à l'émetteur de recevoir les messages provenant de l’application.

Un ping de la part de l’application smartphone (en passant par le gateway) déclenche le mode accéléré permettant d’obtenir un “heartbeat” toutes les secondes ce qui facilitera la recherche.

Tests réalisables

En conditions normales :

  • localisation à l’aide de la puissance de réception
  • localisation à l’aide de la triangulation ( 3 relevés de la puissance du signal et positions gps relevée par le téléphone)
  • précision du GPS
  • prédiction de la trajectoire à l’aide de l'accéléromètre (arrêt du GPS) : quelle précision? Est-ce réalisable?

En montagne :

  • Test de transmission en condition d'utilisation; Ski enterré sous la neige, présence d’arbre (transmission du signal GPS et LoRa).
  • Tests de transmission par fortes pluies et chute de neige et de grêle.

Tests de transmission du signal :

  • Tests avec recouvrement de l’émetteur d’une masse d’eau équivalente à un mètre de neige.
  • Tests avec recouvrement par des échantillons de neige de plaine, de mousse, ou de neige carbonique.

Conception et développement

Programmation des émetteurs et gateways

Les émetteurs et le gateway 433 MHz fonctionnant de la même manière que les Arduinos (proche du C), leur programmation ne nécessite pas une importante période de formation.

Le gateway lopy repose quant à lui sur le langage microPython et sera facile à prendre en main par sa similarité au python.

L’application smartphone sera développée pour android et représentera l’essentiel du temps de formation à cause du manque d’expérience d’utilisation d’Android Studio.

Etapes de dévloppement

Les différents points au seins des étapes peuvent être répartis entre les membres du groupe pour plus d'efficacité.

Etape 1 (v0) But : Positionnement des coordonnées du smartphone et de l'émetteur sur une carte

  • Développement et configuration de l'émetteur (Obtention de la position GPS, Heartbeat normal, pas d'écoute)
  • Développement et configuration du gateway
  • Application smartphone simple (récupération des coordonnées en Bluetooth, placement de 2 points sur une carte )

Etape 2 (Prototype)

  • Mode accéléré du Heartbeat
  • Envoi de Pings au démarrage de l’application
  • Application (Jauge de la puissance du signal, zone de précision GPS)

Etape 3 (Ajouts de fonctionnalités)

  • Triangulation à l’aide de la force du signal (réalisation de l’IHM)
  • Historique des positions (Buffer circulaire côté émetteur stockant les dernières coordonnées GPS, trajectoire côté application)

Interface et localisation

InterfaceSkiLocator.png

Après avoir choisi le ski a retrouver, l'interface de l'application sera constituée d'une carte avec la position du téléphone. Dans le mode GPS, une zone (de couleur jaune) indiquera la zone dans laquelle se trouve le ski perdu (précision du GPS). Sur le côté droit se trouve une jauge indiquant la puissance du signal reçu par le gateway depuis l'émetteur du ski. Le bouton en Haut a gauche permet de basculer en mode triangulation.

Le mode triangulation permet en se déplaçant a trois points suffisamment éloignés et en y mesurant la force du signal de déterminer la position du ski. L'interface de ce mode présentera un bouton pour mesurer la force du signal, l'ensemble des points de mesure et l'endroit où devrait se trouver le ski.

Analyse du marché

Avec près de 54 millions de journées-skieurs vendues, la France est un des premiers pays où la pratique du ski est prisée. Avec plus de 6,3 millions de skieurs français, la première place au rang de l’accueil des touristes skieurs et la paternité du leader du secteur, Rossignol, le marché du ski en France présente des perspectives plus qu’ intéressantes.

Public cible

Tout skieur profiterait à adopter notre solution de localisation de skis: la disparition des skis sous la neige ou leur chute dans un ravin sont la première cause de remplacement de skis, devant la casse, les déformations liées à l’usure et les considérations esthétiques. En prenant en considération que près de 60% des skieurs gardent leurs skis plus de 5 ans, que 20% les gardent plus de 10 ans, et que les skis coûtent en moyenne 600€, il est raisonnable de penser qu’un dispositif permettant de retrouver des skis perdus devraient intéresser une grande partie des skieurs et la majorité des agences de location, qui effectuent 60% des ventes de matériel de ski chaque année.

Concurrence : Loc8tor

Loc8tor.jpg

Il s’agit d’un produit qui n’a pas été conçu spécifiquement pour le ski et est revendu sous différents noms : Tabcat (pour chats), Ski-finder…

Ce dispositif utilise une fréquence de 2.45 ghz et est donc moins performant que le Ski Locator 4000. De plus sa portée très est très inférieure à LoRa et dispose de plus d'atténuation dans la neige.

Le fonctionnement de ce dispositif se base sur la force du signal provenant de l'émetteur pour indiquer à l’utilisateur s’il s’approche du ski. Ce produit n’utilise qu’une des différentes techniques de localisation qu’utilise Ski Locator.

Stratégie commerciale et modèle économique

En partant du constat qu’environ 575 000 de paires de skis neuves sont vendues chaque année et que les agences de location achètent 60% du matériel vendu chaque année, il est possible de faire le constat que les particuliers possédant leur propre paire de skis constituent un marché trop diffus et clairsemé pour se concentrer dessus sans appareil marketing rodé.

Il paraît plus économe et efficace de démarcher les agences de location: en plus de toujours posséder une stock conséquent de paires de skis, ces acteurs ont, encore plus que les particuliers, tout intérêt à ne pas perdre les skis loués. En outre la possibilité d’équiper un même émetteur sur plusieurs skis selon les skis loués à un même moment, le prix relativement bas d’un dispositif de localisation par rapport à celui d’une paire de skis permet d’augurer un succès de notre produit auprès des agences de location. Agences qui, par les divers services de réparation de matériel pourront enfin toucher de manière indirecte les possesseurs de skis et leur proposer un système de localisation, et ceci sans besoin de dépenses marketing supplémentaires.

Conclusion

De par son adéquation aux besoins des skieurs, sa conception adaptée aux difficultés probablement rencontrées durant son utilisation, son coût adapté et l’absence de compétition spécialisée, il nous est possible de conclure en pensant que le Ski Locator devrait trouver son public et s’imposer comme la référence en matière de dispositif de localisation de skis.

Références

Références :

  • Atténuation des ondes 433 MHz et 2.45 ghz dans la neige

https://www.comsol.com/paper/download/83543/ayuso_paper.pdf

  • GPS sous la neige

https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/11990140

  • Difficultés de la localisation Bluetooth

http://webistem.com/ursi-f2014/output_directory/website/data/articles/000012.pdf

  • LoraOne

https://shop.sodaq.com/en/one-eu-rn2483-v2.html

  • Lopy

https://pycom.io/product/lopy/

  • gateway 433 MHz

https://fr.aliexpress.com/store/product/SX1278-LoRa-ESP32-0-96-inch-Blue-OLED-Display-Bluetooth-WIFI-Lora-Kit-32-Module-Internet/1089303_32822676113.html

  • Batterie 1800 mAh 3.7V

https://www.ebay.com/itm/103450-3-7V-1800mAh-Rechargeable-Li-ion-Battery-For-Electronic-Products-/322611179900?_trksid=p2349526.m4383.l4275.c10

  • Boitier

https://www.amazon.com/uxcell-Waterproof-Plastic-Electronic-Project/dp/B014GN10CS/ref=pd_lpo_vtph_265_tr_img_2?_encoding=UTF8&psc=1&refRID=19W6GWE5BK8R84A5BNQQ

  • Cahier des charges Ski Locator 3000
  • 433 vs 868 MHz

http://www.onditech.com/documents/freq_433_868.pdf

  • Sources de l’étude de marché

http://www.fifas.com/sites/default/files/files/Etude%20Ski_Mars2016_%20FIFAS_FPS(1).pdf

https://sportpassions.wordpress.com/les-donnees-cles-du-marche

http://www.travelski.com/blog/guide/histoire-ski/marche-ski

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