Brevet FR2870408A1 — publié le 20051118

SYSTEME RADIOFREQUENCE DE COMMUNICATION, DE LOCALISATION DANS L'ESPACE ET/OU DE SUIVI DE DISPOSITIFS IDENTIFIANT PAR UN PROTOCOLE HIERARCHISE A DEUX CANAUX. La présente invention concerne un système constitué d'au moins un dispositif de centralisation émetteur/récepteur dénommé centrale par la suite, de dispositifs émetteurs/récepteurs d'infrastructure dénommés bornes par la suite et de dispositifs émetteurs/récepteurs portatifs identifiant dénommés badges par la suite, permettant de localiser des objets, des plantes, des animaux ou des personnes équipés de badges, dénommés porteurs par la suite, permettant de situer précisément et rapidement chaque badge dans un espace dans lequel sont installées les bornes. Le fonctionnement est efficace pour un grand nombre de badges (plusieurs centaines) sur une zone de couverture importante plusieurs kilomètres carrés, et optimise la consommation d'énergie des systèmes portatifs. Ce procédé est assuré par une centrale restituant par exemple les positions des badges sur un afficheur, éventuellement déporté loin de la centrale, de bornes disposées dans l'espace à couvrir et de badges, l'ensemble communiquant à l'aide d'un protocole spécifique. L'invention porte sur le protocole, la méthode de localisation et les méthodes d'économie d'énergie pour l'électronique embarquée dans les badges. Le système, objet de cette invention, trouve particulièrement son application dans le domaine de la localisation de personnes ou de matériel portant un badge dans des locaux d'entreprise ou en milieu médical mais de par son universalité ne pourrait être limité à ces applications. L'état de la technique peut être défini par le document DE19824229A1 qui propose un procédé de localisation de personnes portant un badge avec une précision à l'échelle de chaque pièce. Les bornes de localisation sont des dispositifs contrôlant les entrées et sorties au niveau des points d'accès aux pièces. Le procédé existant utilise une localisation mettant en oeuvre de nombreux points de mesure (au moins un par pièce), et ne donne pas d'information sur l'extérieur du bâtiment. Il ne définit ni de procédé ni de dispositif portant sur les protocoles employés, l'utilisation des bandes passantes et l'optimisation de la consommation en énergie des badges. Notre invention porte sur l'utilisation de bornes intelligentes capables à la fois de collecter les informations des badges sur un canal radiofréquence, et d'en mesurer l'éloignement par mesure de la dynamique des signaux reçus, et en même temps de gérer le transfert d'informations vers d'autres bornes et vers au moins une centrale assurant pour une visualisation des positions et des informations transmises, sur un second canal. Le protocole de communication est à deux canaux hiérarchisés. La réception des informations provenant des badges est prioritaire comparée aux informations entre les bornes et la centrale. De ce fait, notre invention constitue une solution innovante, efficace et robuste pour corriger les lacunes et faiblesses des procédés et/ou dispositifs existants. Le système composé de ces dispositifs utilisant le protocole spécifique qui est objet de l'invention est capable de façon non exhaustive: de permettre le calcul de la position et de la trajectoire de chaque badge par émission de salves de signaux de puissance étagée, et en mesurant les signaux reçus aux emplacements des bornes du maillage, de communiquer de façon sûre et bidirectionnelle entre la centrale et les badges, de garantir la qualité de service c'est à dire l'aboutissement de toutes les communications bidirectionnelles, entre la centrale et les badges en utilisant les bornes comme relais pour le transfert et comme lien terminal bidirectionnel, de minimiser particulièrement la dépense d'énergie des badges (ceux-ci fonctionnant sur une source d'énergie type pile, ou générateur mobile), en leur réservant un canal de communication exclusif, minimisant les collisions et donc les ré-émissions qui sont consommatrices d'énergie, de réaliser une économie de matériel en utilisant des bornes capables à la fois de propager de l'information vers d'autres bornes et la centrale et dans le même temps de collecter les signaux provenant de chaque badge, de télétransmettre les appels venant de badges vers un système distant, situé par exemple dans un centre de secours ou un poste central de sécurité, en indiquant la position exacte des badges, de prendre à distance, en utilisant par exemple une liaison téléphonique, le contrôle de la centrale, afin de localiser un ou 35 plusieurs badges. D'autres buts et avantages apparaîtront au cours de la description qui suit. Le bornage de l'espace à couvrir par le système de communication et de localisation est réalisé par des bornes radiofréquence fixes et réparties dans l'espace à mesurer. La répartition des bornes dépend des conditions de propagation spécifique à la zone devant être couverte et du besoin de précision requis, on peut vouloir dans une zone spécifique déterminer plus précisément la position des badges. Ces bornes servent à la fois de relais entre la centrale et les badges à leur portée et servir, si besoin, de relais vers d'autres bornes plus éloignées. Les badges sont portatifs et associés au porteur, et peuvent être assimilés à des émetteurs/récepteurs intelligents et actifs. Ils disposent d'une alimentation embarquée, d'un système de traitement et de calcul de l'information, et de moyens de communication radiofréquence bidirectionnels. Chaque badge possède un identifiant unique. Le canal A est réservé aux communications avec les badges. Sur le canal de communication B, les bornes acheminent les messages. De cette sorte, le bornage peut être très étendu, le nombre de badges très élevé sans augmenter les collisions lors des communications avec les bornes ou entre bornes. Les badges communiquent leurs informations sur un canal A dédié, et peuvent au cours de chaque session: émettre une salve de messages de présence à des puissances étagées pour signaliser leur présence, émettre un signal particulier et identifié pour signaler un événement survenu sur le badge (par exemple une pression sur un bouton réalisée par un utilisateur), recevoir un message de changement de mode de fonctionnement, - recevoir une commande d'action à effectuer pour le porteur et en 30 provenance de la centrale. Les actions peuvent servir à avertir l'utilisateur par un signal sonore tel qu'un bip, une mélodie ou un message numérisé, un signal lumineux tel un clignotement, ou un signal visuel tel l'affichage d'un numéro de téléphone, ou encore un vibreur. Les sessions se découpent selon le processus suivant: réveil du badge, écoute du canal A pour recevoir éventuellement un message provenant de la centrale, le cas échéant, réception de ce message, - en cas d'utilisation du canal A par la centrale pour un message à destinataire multiple, sauter l'étape suivante, sinon dès que le canal est libre, - émission des salves de signaux d'information de présence pour les badges portés, émission des données mesurées pour les badges de déport de capteur, émission des informations et événements survenus depuis la dernière session (état de la pile, intervention utilisateur), - détermination ou calcul de la durée de veille à venir (comportant un alea), - mise en veille pour la durée déterminée, - fin de la session. L'utilisation du canal A réservé aux communications avec les badges, est réglementée de sorte qu'une communication commencée doit toujours être terminée. La fréquence des sessions d'émission des salves de signalisation de position est fixée de façon aléatoire dans un délai compatible avec l'état d'urgence et les modes du système. Si besoin, un mode alerte permet d'augmenter la fréquence de ces émissions. Quand le badge n'est pas en service, un mode stockage permet de diminuer la consommation en énergie par augmentation de la période de veille. Par ailleurs, en début de session, le badge écoute le canal A pour détecter les messages à destinataires uniques ou multiples. Les bornes communiquent sur les deux canaux distincts A et B, en même temps. - le canal A est par défaut en écoute, ce qui garantit la réception de toutes les salves de signalisation de présence des badges, - le canal A est utilisé en émission par les bornes, uniquement pour transmettre les messages vers les badges (ce temps de monopolisation est limité et garantit que tous les badges ont pu recevoir le message), - le canal B sert à transporter les messages et propager les mesures permettant de calculer la position et les autres informations vers la centrale. Des transferts de message peuvent se faire du dispositif chargé de communiquer sur le canal A vers celui du canal B et réciproquement. Les entêtes de messages permettent de définir leur nature, et le corps des messages contient les paramètres de références de messages, de mode de fonctionnement, de durée des transmissions à plusieurs itérations, etc. Par exemple, la centrale est le chef d'orchestre des communications et peut modifier les paramètres du protocole en cours d'exploitation. Les préambules, codes correcteurs, codages de canaux, et tous les procédés nécessaires à la communication radiofréquence sont gérés entre autres par les bornes et les badges. En revanche, la qualité de service et les calculs de position, et de trajectoire sont effectués par défaut par la centrale mais les autres éléments constituant le dispositif peuvent prendre une part du traitement des données permettant la localisation des badges. Les fonctions des bornes ne sont pas limitées à la radio transmission de données. Les bornes peuvent dans certains cas à effectuer des actions. Par exemple, elles peuvent mettre sous tension des appareils électriques ou électroniques qui leur sont reliés. La mise sous tension de ces appareils peut être commandée à distance depuis la centrale, ou résulter de la vérification de conditions préalablement établies. L'une de ces conditions peut être la détection de présence d'un badge. En effet, la détection de fort niveau de puissance des signaux de signalisation d'un badge indique sa proximité. Ainsi une borne placée en limite de terrain près d'un portail, pourra être programmée pour mettre sous tension un phare afin de faciliter le repérage visuel d'une personne égarée la nuit. A cette fin, la borne devra disposer de moyens de coupure et mise sous tension d'une prise d'alimentation extérieure afin de raccorder l'appareil 25 ainsi contrôlé. Les bornes peuvent également servir de point d'accès à un réseau de communication sans fil pour des dispositifs tels que - des détecteurs de fumée pour la lutte contre l'incendie, - des systèmes de déclenchement d'alerte incendie, des systèmes d'appel au secours, ou d'indication de problème de quelque nature que ce soit, des détecteurs d'intrusion infrarouges ou radars, - des capteurs de température pour mesurer le confort de locaux en 35 particulier lors des fortes saisons (hivers très rigoureux ou étés particulièrement chauds), - des capteur de choc, pression, contrainte température, lumière, bruit, accélération, électricité, variation de capacité ou de charge électrique, capteur biométrique, capteurs d'analyse de l'air (optique, ionique, hygrométrie). Le capteur pourra être directement connecté à la borne, ou déporté dans un badge de préférence fixé sur une paroi mais pouvant rester portatif. Par exemple, un système d'appel à l'aide pourra être un badge étanche collé sur le mur d'une douche et reporter son signal à une borne enfichée dans une prise électrique dans un espace éloigné des projections d'eau. De même un détecteur de fumée pourra être fixé au plafond d'un couloir afin de détecter les fumées d'incendie généralement au plafond, et reporter ses informations à une borne enfichée dans une prise située juste au dessus des plinthes. La position des badges est déterminée par calcul dans l'espace en trois dimensions et le temps. L'espace borné permet de définir des cellules de couverture radiofréquence selon les planchers d'étages d'un bâtiment, un jardin ou les abords d'une route. Le temps est considéré par les heures de réception des signaux de position des badges. La position d'un badge est calculée par un procédé d'itérations de pondération suite aux signaux de position de chaque badge. Chaque itération correspond à une puissance donnée d'émission du badge. En regard, les bornes savent mesurer la puissance de réception selon des niveaux. Le procédé de base est connu dans le métier comme méthode de triangularisation. L'innovation porte sur la répétition de triangularisations pondérées grâce aux salves de puissance, et à la détermination de la position dans l'espace tridimensionnel la plus probable en tenant compte de la position antérieure. Les positions ambiguës ou caractérisant une situation à risque peuvent faire l'objet de contre-mesures ou de message d'information. Les positions calculées à l'intérieure de zones d'alerte pré-enregistrées font l'objet d'un système d'alerte et d'enregistrement. De même la disparition d'un badge fait l'objet de messages et d'actions particulières au niveau de la centrale et de l'écran de visualisation. Lorsque les badges sont portés par du personnel encadrant d'autres personnes, les alertes peuvent être reportées vers les badges du personnel encadrant, sous forme de perception physique (comme un vibreur, un afficheur par lampe ou de message alphabétique ou numérique, par son). La trajectoire de chaque badge est mémorisée par la centrale de calcul et peut être visualisée sur un plan en deux ou trois dimensions en perspective sur un écran de contrôle. Chaque badge pourra être représenté par un symbole dont la couleur ou la forme pourront varier en fonction du paramètre temporel. Lors de la mise en place de la centrale, des bornes et des badges, un processus d'initialisation permet de vérifier: - de vérifier le bon fonctionnement des appareils, - de vérifier la bonne couverture de l'espace à contrôler, - de passer d'un mode veille profonde de stockage à un mode standard d'activité pour les badges, - de paramétrer les liens radiofréquence pour l'utilisation de fréquences multiples pour le canal B (par exemple modes burst ou frequency hopping connus dans le métier, - de charger en mémoire du badge des informations portant sur le porteur du badge (identité ou caractéristiques médicales de la personne ou références d'un appareil), - de modifier n'importe quel paramètre d'un élément constituant le système. L'invention va être à présent décrite plus en détails à titre d'exemple nullement limitatif, en regard des figures annexées. MODES DE REALISATION Selon un mode de réalisation, représenté par la figure 1, le système permet de localiser des résidents de maison de retraite et de communiquer avec le personnel soignant. La centrale (4) est équipée d'un dispositif de visualisation (5). La centrale (4) est en communication filaire (7) avec un émetteur récepteur (6) capable à la fois de communiquer sur les canaux A et B. Au minimum, l'émetteur récepteur (6) permet à la centrale (4) d'accéder aux informations transmises sur le canal B. Si l'émetteur récepteur (6) possède la capacité simultanée de communiquer sur les canaux A et B, il peut alors remplir les mêmes fonctions qu'une borne (1), ce qui améliore la résolution du maillage. Les bornes (1) sont placées de façon à optimiser les communications entre bornes d'une part et la disposition des lieux pour les mesures de position de badges (2). En effet, si l'on considère un corps de bâtiment (11) sur une parcelle de terrain (10), les bornes (16) et (17) pourront être installées à proximité des entrées et sorties du terrain (10), comme près des portails (14), ce qui facilite l'utilisation de courant électrique du réseau. De même, l'extérieur du bâtiment, doit être borné de sorte qu'au moins une borne soit visible lorsqu'un porteur de badge (3) est sur le terrain (10) en dehors du corps de bâtiment (11). Dans le corps de bâtiment (11), les couloirs (9) et les pièces communes telles que le hall d'entrée (8) sont à privilégier pour l'installation de bornes (1). Les pièces de repos (17) ou les pièces à usage spécifique comme le réfectoire (19) pourront également être bornées pour faciliter la localisation de résidents en journée. Les chambres (18) ne seront pas nécessairement équipées de bornes (1), dans la mesure où la configuration du bâtiment et les algorithmes de calcul permettront de définir la position d'une personne dans sa chambre. Toutefois, si les messages émis par le badge ne peuvent être captés depuis les bornes (1) de couloir (9) sur l'ensemble de la surface atteignable par une personne (3) dans l'enceinte du bâtiment {11), des bornes intermédiaires devront être ajoutées, de préférence en couloir (9), ou en chambre (18). Sur la figure 1, la personne (3) portant un badge (2) est facilement localisée par ses signaux de signalisation de position, reçus et mesurés par le dispositif (6) d'une part, et les bornes (1) et (16) similaires placées à côté des portails (14) et (15). La figure 2 représente une vue du dispositif de visualisation (5) représentant le suivi de trajectoire d'un résident qui s'enfuit de l'enceinte du bâtiment et de la parcelle de terrain. Comme la personne s'est rapprochée du portail (15), le signal reçu par la borne (16) indique un niveau supérieur à celui de la borne (17), et par calcul de barycentre, la position antérieure de (3) devient celle définie par {13). De même quand la personne s'éloigne hors de l'enceinte {10), la dernière borne (16) ayant reçu les signaux du badge (2) donne la direction dans laquelle la personne est partie, à savoir, en position (23). Exemples d'en-têtes utilisés pour les communications Canal A: EA1 Itération de Salves de signalisation de position EA2 - Evénement détecté sur le badge EA3 - Changement de mode (destiné à tous les badges) EA4 Message pour un badge Canal B: EB1 - Message à ré-émettre pour faire relais EB2 - Message à ré-émettre et à émettre sur le canal A EB3 Changement de mode des bornes 9 REVENDICATIONS 1. Système de localisation d'objets portatifs, appelés badges, dans un espace équipé de bornes de mesure et de transfert d'information vers un dispositif de centralisation, appelée centrale, caractérisé par le fait que les badges communiquent sur un canal A tandis que les bornes de mesure écoutent en permanence le canal A et communiquent entre elles et avec la centrale sur un canal B différent de A. 2. Système selon la revendication 1 caractérisé par le fait que les bornes mesurent les niveaux de puissance des signaux de localisation des badges pour déterminer la position des badges dans l'espace à trois dimensions et en fonction du temps à chaque émission des badges. 3. Système selon l'une quelconque des revendication 1 à 2 caractérisé par le fait que les badges émettent des salves d'informations lors de sessions dont la période varie aléatoirement autour d'une valeur de référence correspondant au besoin de rafraîchissement de l'information, valeur de référence pouvant varier en fonction des changements de ce besoin. 4. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 3 caractérisé en ce que les bornes peuvent être utilisées comme relais pour permettre l'aboutissement d'une communication entre deux ou plusieurs autres éléments du système, bornes, centrale(s) ou badges. 5. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 4 caractérisé en ce que les données de localisation des badges établies par la centrale peuvent être affichées sous forme d'une position sur une représentation graphique des lieux. 6. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 5 caractérisé en ce que la centrale émette une information lorsque un badge pénètre dans une zone pré déterminée ou en sort. 7. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 6 caractérisé en ce que la centrale est reliée à un réseau de communication (réseau téléphonique, Internet, réseau local, réseau GSM, ...) 8. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 caractérisé en ce que la centrale permet de communiquer toute information dont elle dispose, en particulier la localisation de badges ou la valeur de certains capteurs. 9. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 8 caractérisé en ce que la centrale peut être commandée à distance. 10. Système selon l'une quelconque des revendications 1 à 9 caractérisé en ce que la centrale comporte un calculateur. 11. Réseau de système de localisation selon l'une quelconque des revendications 1 à 10.