Brevet FR2758404A1 — publié le 19980717

L'invention concerne la transmission unidirectionnelle multiplexée de données recueillies auprès d'une série d'individus vers un poste central d'analyse de ces données. Elle s'applique notamment au recueil de données dans le domaine sportif, où l'on souhaite disposer d'informations telles que le rythme cardiaque, ainsi que d'autres informations éventuellement, relatives à plusieurs coureurs ou joueurs afin de pouvoir évaluer de façon permanente l'évolution dans le temps de leur performance et de l'effort physique développé. L'invention sera principalement décrite dans le cas du suivi d'une équipe de coureurs cyclistes, où l'on souhaite connaître en temps réel donc transmettre le rythme cardiaque ainsi que la distance ou la vitesse parcourue pour chaque coureur de l'équipe. Cette application n'est cependant pas limitative et le système de l'invention peut être utilisé dans de nombreux autres cas, qu'il s'agisse de sports collectifs, par équipes ou individuels. L'un des buts de l'invention est de proposer un tel système qui soit simple et fiable, et qui évite notamment le recours à une liaison de données bidirectionnelle, telle qu'une transmission de type TDMA, où un synchronisme des échanges de données est imposé et établi par une base de temps centrale : une telle technique, si elle est efficace sur le plan de la transmission des données, requiert cependant des moyens assez complexes, tant en ce qui concerne l'équipement individuel que l'équipement central, et n'est en réalité justifiée que si l'on souhaite organiser une voie de retour d'informations du poste central vers l'individu, ce qui n'est pas toujours nécessaire. En effet, dans la plupart des cas, on cherche seulement à organiser une transmission unidirectionnelle de données, c'est-à-dire à recueillir des données produites localement au niveau de chaque individu (rythme cardiaque, vitesse ou distance parcourue, etc.) et centraliser ces données, mais sans pour autant chercher à réaliser une transmission de signaux de données en retour, le coureur étant en général trop concentré sur sa course pour prêter attention à des signaux qui lui seraient par exemple transmis par voie électronique et présentés sur un afficheur. Le système de l'invention comprend : d'une part, un équipement individuel, associé à chaque individu, comprenant des moyens pour recueillir et numériser un ensemble d'informations propres à l'individu, comprenant au moins une information de rythme cardiaque et un identifiant d'individu, et des moyens émetteurs radio, pour émettre sur une fréquence porteuse commune un message de données contenant lesdites informations propres à l'individu, ce message étant émis de manière asynchrone au cours d'un créneau temporel dans une trame de données répétée régulièrement, la position du créneau dans la trame étant déterminée par tirage aléatoire ou pseudo-aléatoire à chaque émission ; et d'autre part un équipement central distant, comprenant des moyens récepteurs radio, pour recueillir les messages de données émis par les équipements individuels et reconstituer ladite trame de données comportant une pluralité de messages relatifs à au moins une partie des individus, et pour former une trame de résultats regroupant les informations recueillies, et des moyens d'interfaçage avec un équipement informatique, pour délivrer à ce dernier les trames de résultats successives pou affichage et/ou analyse. L'ensemble d'informations propres à l'individu peut comporter en outre : une information de validité de l'information de rythme cardiaque, une information de vitesse, une information de distance parcourue, une information de marquage de point de passage et/ou une information d'appel d'urgence. De préférence, le rapport entre le nombre de créneaux temporels dans la trame de données et le nombre d'individus est au moins égal à cinq, de préférence au moins égal à dix. o D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront à la lecture de la description détaillée d'un exemple de réalisation, en référence aux dessins annexés. La figure 1 illustre, schématiquement, une équipe de coureurs cyclistes suivie par la voiture du directeur sportif. La figure 2 est un schéma par blocs indiquant les principales fonc tions du système de transmission selon l'invention. La figure 3 montre la configuration de l'équipement individuel installé sur un vélo. La figure 4 est un synoptique du circuit récepteur de données. La figure 5 montre la structure d'une trame de données. o Sur la figure 1, la référence 10 désigne un coureur cycliste d'une équipe en comportant plusieurs, suivi par le véhicule 12 du directeur sportif qui souhaite recueillir des informations numériques en provenance de chacun des coureurs pour assurer le suivi des performances et de l'effort de chacun. Essentiellement, l'équipement individuel 14 de chaque coureur comporte un boîtier individuel 16 relié à un capteur 18 permettant de recueillir des informations de rythme cardiaque produites par une ceinture 20 fixée sur le thorax du coureur, et permettant la transmission sans fil de ces informations de la ceinture au capteur 18. Plus précisément, le signal d'électrocardiogramme à la surface du corps est prélevé et transmis à un boîtier de calcul du rythme cardiaque, incorporé à la ceinture 20, par courte connexion filaire. Le signal ainsi calculé, qui a été éventuellement filtré, moyenné, etc. module une porteuse VLF, qui est captée par la bobine 18 accordée sur cette fréquence porteuse. Cette technologie est en elle-même connue et est utilisée par exemple par les ceintures de la marque Polar, et ne sera pas décrite plus en détail. Comme on peut le voir sur la figure 3, le boîtier 16 peut par exemple être soit fixé sur la tige de selle, soit imbriqué à l'intérieur de la selle en lui donnant une forme appropriée, et le capteur 18 est placé soit sur la barre supérieure du cadre soit en prolongement du boîtier en-dessous de la selle (comme en 18'), à proximité du thorax, afin de minimiser la distance entre capteur et ceinture et éviter les interférences entre les signaux émis par exemple par deux coureurs se trouvant côte à côte. Outre l'information de rythme cardiaque, le boîtier 16 reçoit égale ment une information de vitesse ou de distance parcourue, via un capteur 22 de signal de roue recevant les signaux émis par un relais de fourche 24 excité par le passage d'un aimant de roue 26 (bien entendu, la liaison entre relais de fourche et boîtier peut être, plus simplement, une simple connexion filaire). Le calcul de la vitesse est élaboré à partir de la mesure du temps, échantillonné avec un rythme proche de 20 kHz, séparant les deux impulsions successives provenant du relais de roue arrière. Si l'impulsion correspondante du relais n'a pas été reçue, on considère la valeur mémorisée du dernier mouvement détecté, pendant un temps maximum de 8 s. Bien entendu, l'entrée d'une information de vitesse n'est pas une caractéristique limitative de l'invention, et l'entrée de données correspondante pourrait être utilisée de différentes manières, par exemple en la reliant à un bouton-poussoir que le coureur activerait lors du franchissement de certains points remarquables (par exemple des tours de circuit ou des repères kilométriques), comme appel d'urgence, etc. Le boîtier 16 va ainsi recueillir une information de rythme cardiaque et une information de vitesse ou distance parcourue et va émettre celles-ci, comme on l'explicitera à propos de la figure 5, de manière asynchrone par des moyens radio, par exemple (mais de façon bien entendu aucunement limitative) sur une fréquence de l'ordre de 433 MHz, ce qui permet de se contenter d'une antenne 28 de quelques centimètres de long, pour une portée de l'ordre de 1 à 2 km en espace libre pour 10 mW de puissance d'émission, avec une assez bonne immunité aux bruits et aux obstacles naturels. Les données émises par chacun des boîtiers individuels sont recueillies par un équipement central distant 30 situé dans la voiture suiveuse 12 et traitées par un ordinateur portable 32 interfacé à cet équipement 30. La figure 4 montre plus en détail la structure de l'équipement central 30, qui comporte avantageusement deux chaînes de réception parallèles, reliées à deux antennes séparées, afin de réaliser la diversité d'espace en réception et éviter ainsi tout "trou" de réception des données. Chaque chaîne de réception comporte, outre un récepteur 34, un circuit de détection de la synchronisation 36 commandé par un motif de synchronisation présent dans chacune des trames reçues (voir plus loin). La détection du motif de synchronisation ferme l'interrupteur 38 pour permettre la transmission des données à un étage de correction d'erreurs 40 et un étage de contrôle de "checksum" 42, permettant de délivrer en 44 les trames reçues sur chacune des voies de réception. Un circuit 46 sélectionne alors, parmi les deux trames reçues, celle présentant la meilleure qualité (absence d'erreur), qui est alors transmise à l'ordinateur portable via un circuit d'interfaçage 48. On va maintenant décrire plus précisément le format suivant lequel les données sont transmises des coureurs à la voiture suiveuse. Cette transmission est une transmission asynchrone unidirectionnelle du type "Slotted Aloha", qui permet de gérer les collisions éventuelles inhérentes au caractère asynchrone des transmissions. Dans un exemple, nous considérons une trame de durée égale à 2,69 s constituée d'une cinquantaine (ou, mieux, une centaine) de "slots" ou créneaux temporels élémentaires à occurrence cyclique, chaque créneau élémentaire étant composé d'une phase d'émission d'un signal de synchronisation radio pendant 26 ms et d'une phase d'envoi d'un message proprement dit pendant 29,5 ms. Conformément à la technique du "Slotted Aloha", chaque mobile tire au hasard l'un des cinquante créneaux sur lequel son message sera envoyé. De la sorte, pour une même trame les créneaux sont répartis de manière pseudo-aléatoire comme illustré figure 5, avec éventuellement des possibilités de collisions entre deux messages (par exemple les messages des coureurs n" 7 et 10 sur la figure 5). La probabilité de collision est déduite de la courbe d'efficacité du "Slotted Aloha" connaissant la charge du réseau, cette dernière étant déterminée par le nombre simultané de mobiles, le nombre de créneaux disponibles dans la trame et l'asynchronisme des mobiles entre eux. Dans l'hypothèse retenue plus haut de dix coureurs et de trames de cinquante créneaux, la communication du boîtier coureur vers le central contient typiquement: - un préambule d'une durée de 4 bits ('1010'), - un motif de synchronisation message de 24 bits ('10000001 10000001 01111110'), pour acquérir simultanément les synchro nisations trame et bit en réception, - l'adresse du coureur concerné (4 bits), - l'information de rythme cardiaque (8 bits), - l'information de validité du rythme cardiaque (1 bit): en cas de non détection de l'impulsion envoyée par la ceinture, le boîtier envoie la valeur mémorisée du dernier rythme cardiaque détecté, avec cet indicateur de validité à '0', - l'information de nombre de tours de roue par seconde (9 bits dont 4 bits de partie entière), - un motif pour le "checksum" (4 bits), - un motif pour la correction d'erreur (5 bits). Ainsi, la communication fait appel à 59 bits soit 29,5 ms à 2 kbit/s. Les paramètres choisis dans cet exemple (nombre de créneaux dans une trame, nombre de mobiles simultanés, durée de chaque créneau, ...) rendent très efficace la communication du coureur vers le central. Lors d'une collision à la réception sur le central entre deux messages provenant de deux mobiles différents, la probabilité de collision pour l'un de ces mobiles dans la trame est très faible. De ce fait, les informations de vitesse et de rythme cardiaque arrivent donc fréquemment toutes les 2,9 s au central et au pire toutes les 5,8 s (la probabilité de deux collisions successives sur le message d'un même mobile est infime). Afin de minimiser la consommation, qui est un paramètre essentiel dans un tel système qui est alimenté par une batterie dont l'autonomie doit être d'au moins une journée, le passage en émission du boîtier ne se fait qu'au rythme des trames, c'est-à-dire toutes les 2,69 s, pendant 55,5 ms (26 ms de porteuse pure pour permettre la synchronisation radio + 29,5 ms de message) soit un facteur de forme de 0,012. En outre, ce boîtier individuel est programmable, par exemple au moyen d'une liaison RS 232 ou bien à l'aide d'interrupteurs miniatures, pour paramétrer le numéro du coureur, une clé de cryptage, le canal de la fréquence porteuse, un mode de fonctionnement (rythme cardiaque brut/rythme cardiaque moyenné ; vitesse brute/vitesse moyennée), etc. Par ailleurs, comme pour le boîtier individuel, l'équipement central 30 peut être paramétré au préalable par une liaison RS 232 : canal de l'émetteur, clé de cryptage, mode de fonctionnement, nombre de coureurs, etc. Les résultats envoyés par l'équipement central 30 à l'ordinateur portable 32 peuvent se faire à travers une interface conventionnelle de type RS 232 à 9600 bits par seconde, avec une trame de résultat ayant typiquement le format suivant (pour un total de 76 octets): - motif de début de trame: 1 octet ($FF) - numéro de central : 1 octet (de 0 à 127) - rythme cardiaque des 10 coureurs : 10 octets (de 0 à 255) - partie entière de la vitesse des 10 coureurs : 10 octets (de 0 à 15) - partie décimale de la vitesse des 10 coureurs (obtenue en divi sant l'octet reçu par 256): 10 octets (de 0 à 255) - présence des 10 coureurs (temps écoulé entre la réception de la dernière trame 433 MHz valide et l'émission de cette trame vers l'ordinateur portable): 10 octets (de 0 à 127) - invraisemblance du rythme cardiaque des 10 coureurs (temps écoulé entre la réception du dernier rythme cardiaque valide et l'émission de ce rythme vers l'ordinateur portable) : 10 octets (de 0 à 127). Cet octet est fortement lié à la présence du coureur puisque s'il n'y a pas de réception de trame, il n'y a pas de ré ception de rythme cardiaque ; lors de la réception d'une trame 433 MHz, si le central reçoit un rythme cardiaque nul (indi quant que le module coureur a complètement décroché), cet oc tet d'invraisemblance est alors augmenté de 10 unités. - RSSI n0 1 : 10 octets (de 0 à 255) - RSSI n" 2 : 10 octets (de O à 255) - heure : 1 octet (de 0 à 23) - minute : 1 octet (de 0 à 59) - seconde : 1 octet (de 0 à 59) - checksum (somme de tous les octets de la trame modulo 128) 1 octet (de 0 à 127). REVENDICATIONS 1. Un système de transmission unidirectionnelle multiplexée de données depuis une série d'individus vers un poste central de recueil et d'analyse, caractérisé en ce qu'il comprend - un équipement individuel (14), associé à chaque individu (10), comprenant: des moyens (18-26) pour recueillir et numériser un ensemble d'informations propres à l'individu, comprenant au moins une information de rythme cardiaque et un identifiant d'individu, et des moyens émetteurs radio (16, 28), pour émettre sur une fré quence porteuse commune un message de données contenant lesdites informations propres à l'individu, ce message étant émis de manière asynchrone au cours d'un créneau temporel dans une trame de données répétée régulièrement, la position du créneau dans la trame étant déterminée par tirage aléatoire ou pseudo-aléatoire à chaque émission, - un équipement central distant (30), comprenant: des moyens récepteurs radio (34-46), pour recueillir les messa ges de données émis par les équipements individuels et recons tituer ladite trame de données comportant une pluralité de mes sages relatifs à au moins une partie des individus, et pour for mer une trame de résultats regroupant les informations recueil lies, et des moyens (48) d'interfaçage avec un équipement informatique (32), pour délivrer à ce dernier les trames de résultats successi ves pour affichage et/ou analyse. 2. Le système de la revendication 1, dans lequel l'ensemble d'informations propres à l'individu comporte en outre : une information de validité de l'information de rythme cardiaque, une information de vitesse, une information de distance parcourue, une information de marquage de point de passage et/ou une information d'appel d'urgence. 3. Le système de la revendication 1, dans lequel le rapport entre le nombre de créneaux temporels dans la trame de données et le nombre d'individus est au moins égal à cinq, de préférence au moins égal à dix.