Brevet FR2899035A1 — publié le 20070928

UNITE AUTONOME POUR UN RESEAU DE CAPTEURS DE MESURE, RESEAU INCORPORANT LADITE UNITE AUTONOME ET PROTOCOLE DE COMMUNICATION DUDIT RESEAU La présente invention se rapporte à une unité autonome pour un réseau de capteurs de mesure, à un réseau incorporant au moins une unité autonome ainsi qu'à un protocole de communication dudit réseau. Généralement, la précision d'une mesure sur une zone géographique relativement 5 étendue est liée au nombre de points de mesure. Dans le domaine de l'éclairage public, la commande d'allumage ou d'extinction de l'éclairage public pour un secteur d'une ville peut être déclenchée à partir d'une valeur mesurée par un seul capteur de luminosité, notamment une cellule photovoltdique, mesurant l'ensoleillement. La valeur mesurée est souvent une 10 approximation grossière de la luminosité de la zone à éclairer qui ne permet pas d'optimiser la gestion de l'éclairage. Pour augmenter la précision, une solution consiste à augmenter le nombre de points de mesure pour obtenir une valeur mesurée plus représentative. Toutefois, cette solution nécessite l'installation d'un réseau filaire pour assurer 15 l'alimentation en énergie électrique des capteurs de mesure et la transmission des données. Or, l'installation d'un réseau filaire est relativement coûteuse. Dans certains cas, elle peut même s'avérer impossible. Lorsque les capteurs de mesure viennent se greffer sur un réseau disposant d'une d'alimentation en énergie électrique, par exemple un réseau de lampadaires 20 d'un éclairage public, il est possible de capter une partie de cette énergie électrique pour alimenter les capteurs de mesure, et utiliser ledit réseau d'alimentation pour transmettre les données en utilisant la méthode des courants porteurs. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car elle induit une surconsommation et les mesures transmises peuvent être entachées d'erreur. En l'absence d'un réseau filaire existant, même si certains capteurs peuvent être communicants et transmettre les données par le biais de moyens de communication sans fil, l'alimentation en énergie électrique desdits capteurs de mesure demeure problématique. On peut prévoir des piles ou des batteries pour assurer l'autonomie desdits capteurs. Cependant, cette solution n'est pas satisfaisante car ces moyens d'alimentation ont une durée de vie limitée, ce qui induit une maintenance importante pour assurer leur remplacement. De plus, les piles et batteries sont généralement une source de pollution importante. Aussi, la présente invention vise à pallier les inconvénients de l'art antérieur en proposant une unité autonome incorporant au moins un capteur de mesure, permettant de multiplier les points de mesure, ne nécessitant pas l'installation d'un réseau filaire dédié et/ou une maintenance importante et utilisant une énergie renouvelable. A cet effet, l'invention a pour objet une unité autonome incorporant au moins un moyen de mesure et susceptible de s'intégrer dans un réseau d'unités autonomes et de communiquer grâce à des moyens de communication la ou les valeurs mesurées à un coordonnateur, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'alimentation autonome comprenant des moyens de transformation d'une énergie extérieure en énergie électrique, notamment un panneau photovoltaïque utilisant l'énergie solaire, et des moyens de stockage de la dite énergie ainsi transformée. D'autres caractéristiques et avantages ressortiront de la description qui va suivre de l'invention, description donnée à titre d'exemple uniquement, en regard des dessins annexés sur lesquels : - la figure 1 représente la composition d'une unité autonome selon un mode de réalisation, - la figure 2 est une vue en perspective illustrant les éléments composant une unité autonome, - les figures 3A et 3B représentent le circuit imprimé d'une unité autonome selon son mode de réalisation préférentiel, - les figures 4A et 4B illustrent le procédé de commutation Parallèle/Série, - la figure 5 représente le protocole de communication. La présente invention est maintenant décrite appliquée à la gestion d'un réseau d'éclairage public. Néanmoins, l'invention peut avoir d'autres applications pour lesquelles, il est nécessaire de disséminer plusieurs capteurs de mesure sur une zone géographique. Afin d'affiner la mesure, notamment la mesure de luminosité pour commander l'allumage ou l'extinction des points lumineux d'un réseau d'éclairage, on prévoit un réseau composé d'au moins une unité autonome 20 intégrant au moins un moyen 18 de mesure, notamment de la luminosité, et d'au moins un coordonnateur, susceptible de communiquer directement ou indirectement avec lesdites unités autonomes 20 et de collecter les valeurs mesurées. Dans le cas de la gestion de l'éclairage public, le coordonnateur est relié aux moyens de commande dudit réseau d'éclairage. Selon les variantes, l'unité autonome peut comprendre un ou plusieurs moyens de mesure, notamment tout type de capteurs ou de sondes, fonctionnant à bas voltage, lui permettant d'effectuer des mesures point par point sur un réseau équipé desdites unités autonomes 20 dans le but de communiquer, de la même manière que pour les mesures de luminosité, lesdites mesures au coordonnateur. Il peut s'agir de capteurs de mesure de pollution, sonore par exemple, d'hygrométrie, de température ou autre, la couverture de mesures point par point pouvant être très dense et facile à mettre en oeuvre. L'unité autonome 20 est indépendante d'un réseau filaire, notamment du circuit de puissance pour alimenter en énergie électrique les différents points lumineux de l'éclairage public, ce qui ne provoque pas de surconsommations du réseau d'éclairage lors du fonctionnement du réseau d'unités autonomes 20. De plus, les mesures ne subissent aucune perturbation liée à d'éventuelles interférences sur ledit circuit de puissance lors de la communication avec le coordonnateur, comme peuvent le subir, par exemple, les systèmes à courant porteur. Selon l'invention, comme illustré en figures 1 et 2, chaque unité autonome 20 dispose d'au moins un moyen 18 de mesure, notamment de moyens de mesure de luminosité, de moyens de communication 30, susceptibles de communiquer avec le coordonnateur et/ou une autre unité autonome 20 et des moyens d'alimentation autonome 38. De préférence, une unité autonome 20 comprend un boîtier étanche 36 dans lequel sont disposés : - des moyens de communication 30 , - des moyens d'alimentation autonome 38, - au moins un moyen 18 de mesure, - des moyens 58 de synchronisation, - et éventuellement, - des moyens de mise en mémoire 32, - des moyens d'exécution d'instructions 40, - des moyens de commande d'une unité externe. Dans une unité autonome 20, les moyens d'alimentation autonome 38 fournissent l'énergie nécessaire aux autres composants. Selon une caractéristique de l'invention, les moyens d'alimentation autonome 38 comprennent des moyens de transformation d'une énergie extérieure 42 renouvelable, notamment solaire, en énergie électrique et des moyens de stockage 44 de ladite énergie électrique. En complément ou en alternative, le dispositif pourrait utiliser l'énergie éolienne ou toute autre énergie renouvelable. Ainsi, l'unité autonome 20 fonctionne grâce aux énergies renouvelables de façon à s'inscrire dans le domaine du développement durable et de l'écologie urbaine. Dans l'application relative à la gestion de l'éclairage public, les moyens de transformation d'une énergie extérieure 42, notamment un panneau photovoltaïque, transformant l'énergie solaire en énergie électrique, peuvent être utilisés en tant que moyens de mesure de luminosité et de moyens de détection de défaut de fonctionnement et d'allumage d'un point lumineux. Comme illustré sur la figure 2, chaque unité autonome 20 est équipée d'un boîtier 36 comportant une partie supérieure 48 et une partie inférieure 50 entre lesquelles sont prévus des moyens d'étanchéité 46, notamment un joint en silicone. La partie supérieure 48 du boîtier 36 comprend une paroi transparente 52 derrière laquelle viennent se positionner les moyens de transformation d'une énergie extérieure 42. Pour compléter l'étanchéité du boîtier 36 et plus particulièrement pour lui assurer une étanchéité durable, étant donné la durée de vie nécessaire, notamment pour un dispositif destiné à s'installer sur un réseau d'éclairage public, une soupape monodirectionnelle 54 est disposée sur une des faces du boîtier 36, l'ouverture de ladite soupape se faisant vers l'extérieur du boîtier 36. Après assemblage des différents composants de l'unité autonome 20 et en suivant la fermeture du boîtier 36 avec disposition des moyens d'étanchéité 46 entre les parties supérieure 48 et inférieure 50, on vient chauffer l'unité autonome 20 à une température sensiblement supérieure à la température maximale d'utilisation. Cette montée en température fait augmenter la pression de l'air à l'intérieur dudit boîtier 36, et plus particulièrement à une pression supérieure à la pression de service de la soupape 54. Cette montée en température a donc pour effet d'évacuer une partie de l'air contenu dans le boîtier 36, qui par la suite, en se refroidissant, va être sensiblement sous vide et donc à étanchéité renforcée. Ce phénomène de mise sous vide peut de plus se réitérer et donc se régénérer lors de la saison estivale par exemple. Avantageusement, le boîtier 36 comprend des moyens de fixation 26 adaptés au support sur lequel est fixée l'unité autonome 20. Le boîtier 36 peut prendre diverses formes, une forme sphérique étant préférentiellement recommandée pour la discrétion des unités autonomes 20. Comme l'illustrent les figures 3A et 3B, ledit boîtier 36 contient un circuit imprimé 56 regroupant les moyens de stockage de l'énergie électrique 44, les moyens de communication 30 de l'unité autonome 20, les moyens de synchronisation 58, ainsi qu'éventuellement les moyens d'exécution des instructions 40 et les moyens de mise en mémoire 32, des moyens de calibrage 62, des moyens de régulation de l'alimentation électrique 64, des moyens de mesure de température 60, des moyens secondaires de communication 68. Afin de permettre le fonctionnement des différents éléments situés sur le circuit imprimé 56, la tension fournie par les moyens de stockage de l'énergie électrique 44 doit être régulée de manière à fournir une alimentation stable auxdits différents éléments du circuit imprimé 56. A ce titre, les moyens de stockage de l'énergie 44 sont relayés par les moyens de régulation 64 de l'alimentation électrique. Lesdits moyens de régulation 64 de l'alimentation électrique sont notamment réalisés à l'aide d'un convertisseur continu/continu. Selon les variantes, des moyens de calibrage 62 peuvent être utilisés pour calibrer la valeur de la tension fournie par les moyens de transformation d'une énergie extérieure 42, tension qui est directement proportionnelle à l'ensoleillement. Ces moyens de calibrage 62 sont notamment réalisés à l'aide d'un pont diviseur de tension. Les moyens de stockage de l'énergie électrique 44 sont composés d'un dispositif à commutation de condensateurs 70 et de moyens de protection 72 dudit dispositif à commutation de condensateurs 70. Les moyens de protection 72 du dispositif à commutation de condensateurs 70 sont commandés par un ordre de commande issu des moyens d'exécution des instructions 40, ordre de commande qui permet la commutation dudit dispositif entre un montage série du dispositif à commutation de condensateurs 70, ayant au moins deux condensateurs, et un montage parallèle dudit dispositif à commutation de condensateurs 70. Les moyens de protection 72 dudit dispositif à commutation de condensateurs 70 sont réalisés à l'aide de moyens de détection de bas voltage et de transistors à effet de champ, plus particulièrement de type MOSFET à canal N ou P, afin d'éviter une surcharge desdits condensateurs lorsqu'ils ont atteint leur tension de charge, l'alimentation du dispositif à commutation de condensateurs étant coupée. Ce dispositif à commutation de condensateurs 70 dispose en outre de moyens de commutation, réalisés par des transistors à effet de champ, plus particulièrement de type MOSFET à canal N ou P, référencés T8N, T8P et T2A sur les figures 3A et 3B. Lesdits moyens de commutation disposent pour les besoins de ce dispositif à commutation de condensateurs 70, de vitesses de commutation particulièrement rapides, notamment pour avoir le minimum de pertes de charge au niveau des condensateurs. Le fonctionnement du dispositif à commutation de condensateurs est illustré en figures 4A et 4B. Pour le mode de réalisation préféré de l'unité autonome 20, le nombre de condensateurs est fixé à deux, mais ce dispositif à commutation de condensateurs 70 peut comprendre plus d'une paire de condensateurs du moment que la tension de charge fournie par les moyens de transformation d'une énergie extérieure 42 est prévue en conséquence. La figure 4A représente le montage série du dispositif à commutation de condensateurs 70. Les moyens de commutation T8N et T8P étant ouverts et T2A fermé, les condensateurs Cl et C2 se retrouvent alimentés en série par une tension U, issue des moyens de transformation d'une énergie extérieure 42. Ce montage série est destiné à effectuer la charge desdits condensateurs Cl et C2. Lorsque la tension de charge est atteinte, les moyens de protection 72 dudit dispositif à commutation de condensateurs 70 coupent l'alimentation issue des moyens de transformation d'une énergie extérieure 42 et, comme illustré sur la figure 4B, les moyens de commutation T2A s'ouvrent, ce qui provoque la fermeture des moyens de commutation T8N et T8P. Le dispositif à commutation de condensateurs 70 a emmagasiné l'énergie électrique, et les deux condensateurs Cl et C2 sont désormais montés en parallèle pour effectuer la décharge de leur capacité et commencer à délivrer une tension V, sensiblement égale à la moitié de ladite tension U, aux moyens de régulation 64 de l'alimentation électrique. L'alimentation électrique ainsi réalisée fournit l'énergie électrique nécessaire aux autres composants, notamment aux moyens de mesure 18, aux moyens d'exécution des instructions 40, notamment un microprocesseur, aux moyens de synchronisation 58, notamment un circuit intégré d'horloge temps réel programmable, aux moyens de mise en mémoire 32, notamment de type EEPROM, aux moyens de mesure de température 60, notamment un circuit intégrant une sonde de température, aux moyens de communication 30, notamment un circuit intégré émetteur-récepteur d'ultra hautes fréquences correspondant à la norme IEEE802.15.4, dite ZigBee, fonctionnant à basse tension, et des moyens secondaires de communication 68, notamment un émetteur-récepteur optique destiné à l'émission-réception des informations et des instructions. Les moyens de mise en mémoire 32, notamment de type EEPROM, sont utilisés pour stocker les informations propres à chaque point de mesure, qu'il s'agisse d'informations issues des mesures de luminosité, de mesures de température, ou toutes autres mesures, ainsi que des données envoyées aux moyens d'exécution des instructions 40. Les données ainsi stockées peuvent être réutilisées pour l'établissement d'une courbe de référence d'allumage par exemple, ou pour l'apprentissage des moyens de mesures. On désigne par apprentissage, l'établissement d'une base de données de mesures obtenues par les différents moyens de mesure disponibles dans une unité autonome 20 et disponibles dans les moyens de mise en mémoire 32, cette base de données permettant d'établir une cartographie desdites mesures à une échelle temporelle par exemple pouvant être horaire, quotidienne, hebdomadaire ou permettant de croiser les différentes mesures entre elles et d'en déduire d'éventuelles relations. Les avantages procurés par le réseau d'unités autonomes 20 sont dépendants d'un protocole de communication, plus particulièrement radio, adapté au mode de fonctionnement à basse tension des unités autonomes 20. De par l'autonomie des unités autonomes 20, ce protocole de communication est à faible niveau de consommation d'énergie. Cette faible consommation d'énergie est basée sur les moyens de synchronisation 58 programmable qui définissent un fonctionnement horodaté des unités autonomes 20, basé sur une méthode de requête/réponse périodique de chaque unité autonome 20, ce protocole de communication étant donc horodaté. De préférence, les moyens de synchronisation 58 se présentent sous la forme d'un circuit intégré à horloge temps réel dont les déviations de fréquences de l'oscillateur à quartz dues aux variations de température peuvent être compensées, permettant ainsi d'obtenir un horodatage fiable avec une dérive négligeable dans le temps. De manière à synchroniser les unités autonomes 20 entre elles, le protocole de communication prévoit un intervalle de temps périodique de synchronisation durant lequel les unités autonomes se synchronisent deux à deux grâce aux moyens de synchronisation 58 programmable, les moyens de synchronisation 58 permettant aux unités autonomes de se synchroniser entre elles ou avec le coordonnateur, et par le biais de leurs moyens de communication 30. Le protocole est bidirectionnel dans le sens où la transmission du signal s'effectue de façon descendante puis montante sur le réseau d'unités autonomes 20. Le protocole définit une méthode de communication réalisée de manière à ce que, lors de la phase descendante, le signal émis par les moyens de communication 28 du coordonnateur, notamment un émetteur-récepteur radio, soit retransmis aux moyens de communication 30 d'une première unité autonome 20, notamment celle située le plus en amont du réseau à proximité du coordonnateur, puis successivement d'unité autonome 20 en unité autonome en descendant sur le réseau, jusqu'à la dernière unité autonome 20 dudit réseau, située la plus en aval, et, lors de la phase montante succédant une phase descendante, le signal remonte le réseau d'aval en amont, d'unité autonome 20 en unité autonome, jusqu'à revenir au coordonnateur. Lors d'une phase montante M ou descendante D et grâce aux moyens de synchronisation 58, l'unité autonome 20 sait à quel moment elle doit se trouver en réception, référencée R en figure 5. Durant cette période de réception R, les moyens de communication se mettent en écoute et sont donc susceptibles de recevoir un signal d'un émetteur ainsi que les instructions qu'il contient. En suivant la période de réception R et après la fin de la réception du signal, les moyens de communication transmettent à leur tour le signal, durant une période d'émission EM, aux moyens de communication de l'unité autonome se trouvant en période de réception. Durant la période de réception R de la phase descendante D, les moyens d'exécution 40 effectuent les instructions transmises dans le signal, notamment des mesures, puis durant la période d'émission EM de la phase montante M, ils transmettent les données répondant aux instructions aux moyens de communication 30. Ainsi, et comme illustré sur la figure 5, le protocole est dit bidirectionnel à balises. Le protocole est dit à balises car chaque unité autonome émet une balise, ou message, à une période d'émission EM bien précise, portant l'identifiant du réseau, l'identifiant de l'émetteur, le numéro de l'intervalle de temps, la date et l'heure. La balise est le moyen utilisé par chaque unité autonome 20 pour effectuer sa synchronisation avec une autre unité autonome 20 ou le coordonnateur, ladite synchronisation s'effectuant par couples. La précision temporelle de la période d'émission EM est indispensable pour éviter que des variations brutales entraînent le décrochage de la queue du réseau. Ladite précision de la période d'émission EM dépend de la stabilité d'horloge de chaque unité autonome 20, cette stabilité étant obtenue en compensant en température grâce aux moyens de mesure de température 60 l'horloge de haute précision définie par les moyens de synchronisation 58 programmable. Pour augmenter le trafic de données pouvant transiter, le protocole de communication utilise plusieurs fréquences de transmission de signal, une fréquence étant toutefois réservée pour effectuer la synchronisation ou la resynchronisation des unités autonomes 20 entre elles. Cette fréquence de synchronisation est utilisée pour créer un canal sémaphore qui sert à la re-synchronisation d'une unité autonome 20. En cas d'isolement d'une unité autonome 20, celle-ci effectue sa propre recherche de synchronisation. Une unité autonome 20 se déclare isolée lorsqu'elle ne voit plus de balise plusieurs fois de suite. On distingue trois modes de recherche de synchronisation à partir de l'auto déclaration d'isolement. Un mode rapide qui consiste à rester en période de réception pour l'unité autonome 20 isolée après la phase montante M pour trouver la phase de signalisation du canal sémaphore, la probabilité de trouver la balise de signalisation étant directement liée à la qualité du signal. Au delà du délai de présence du canal sémaphore, étant donné qu'il est inutile de continuer la recherche, l'unité autonome 20 isolée passe alors dans le mode de recherche lent qui consiste à attendre le prochain cycle d'émission réception pour scanner le canal sémaphore dans un délai équivalent à celui de la recherche rapide. Le dernier mode de recherche est établi à chaque tranche horaire où une unité autonome 20 ayant perdu le canal qui lui est rattaché va effectuer une séquence rapprochée à la seconde de cycles de synchronisation, pendant une minute pour donner un ordre d'idées. Lors de la première identification, une relation parent enfant se crée entre l'unité autonome 20 en recherche, dite enfant, et l'unité autonome 20 ou le coordonnateur, dite ou dit parent, qui l'accepte comme élément du réseau. Le parent inscrit dans ses moyens de mise en mémoire 32 les coordonnées de son nouvel enfant. De même l'enfant inscrit dans ses moyens de mise en mémoire 32 les coordonnées de son parent. Lors de l'isolement d'un enfant celui ci effectue une procédure dite orpheline pour retrouver son parent, la procédure de raccordement au réseau et celle de la resynchronisation étant basées sur les méthodes fixées par la norme IEEE802.15.4. Au delà de la procédure orpheline, une unité autonome 20 se retrouve complètement isolée et peut alors effacer les coordonnées mémorisées par les moyens de mise en mémoire 32 pour effectuer une procédure de raccordement au réseau, cette procédure intervenant dans le cas de la disparition du parent correspondant à une destruction ou un remplacement d'une unité autonome 20. Le rattachement à un parent est une relation privilégiée stable. Il n'y a pas de raison pour changer de parent. Une unité autonome 20 parent peut accepter plusieurs unités autonomes 20 enfants, ceci faisant partie des paramètres de fabrication. Chaque unité autonome 20 enfant est identifiée séparément. Tous les unités autonomes enfants écoutent la même unité autonome 20 parent lors du même intervalle de temps. Les différentes unités autonomes 20 enfants de la même unité autonome 20 parent travaillent ensuite sur leur propre intervalle de temps et ne se voient pas. Bien entendu, l'invention n'est évidemment pas limitée au mode de réalisation représenté et décrit ci-dessus, mais en couvre au contraire toutes les variantes, notamment en ce qui concerne les formes, les dimensions et les matériaux des différents éléments. REVENDICATIONS 1. Unité autonome (20) incorporant au moins un moyen de mesure (18) et susceptible de s'intégrer dans un réseau d'unités autonomes et de communiquer grâce à des moyens de communication (30) la ou les valeurs mesurées à au moins un coordonnateur, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens d'alimentation autonome (38) comprenant des moyens de transformation d'une énergie extérieure (42) en énergie électrique, notamment un panneau photovoltaïque utilisant l'énergie solaire, et des moyens de stockage (44) de la dite énergie ainsi transformée. 2. Unité autonome selon la revendication 1, caractérisée en ce que les moyens de stockage de l'énergie (44) comprennent un dispositif à commutations de condensateurs (70), au moins deux condensateurs, protégé par des moyens de protection (72). 3. Unité autonome selon la revendication 2, caractérisée en ce que le dispositif à commutations de condensateurs (70) comprend des moyens de 15 commutation (T8N, T8P et T2A) commutant entre : - un montage en série de condensateurs Cl et C2, alimentés en série par une tension U, issue des moyens de transformation d'une énergie extérieure (42), - et un montage en parallèle desdits condensateurs Cl et C2, les moyens de protection (72) coupant ladite alimentation issue des moyens de transformation 20 d'une énergie extérieure (42). 4. Unité autonome selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de régulation (64) de l'alimentation électrique fournie par les moyens de stockage de l'énergie électrique (44). 25 5. Unité autonome selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de calibrage (62) pour calibrerla valeur de la tension fournie par les moyens de transformation d'une énergie extérieure (42). 6. Unité autonome selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de synchronisation 58 pour 5 permettre un fonctionnement horodaté de ladite unité autonome. 7. Unité autonome selon la revendication 6, caractérisée en ce qu'elle comprend des moyens de mesure de la température (60) pour ajuster les moyens de synchronisation (58) en fonction de la température mesurée. 8. Réseau comprenant au moins une unité autonome (20) selon l'une 10 quelconque des revendications précédentes et au moins un coordonnateur susceptible de collecter les valeurs mesurées. 9. Protocole de communication pour un réseau comprenant au moins une unité autonome (20) selon l'une quelconque des revendications 1 à 7 et au moins un coordonnateur, caractérisé en ce qu'il fonctionne de manière horodatée, les 15 unités autonomes se synchronisant deux à deux, pour transmettre un signal de façon descendante puis montante sur ledit réseau d'unités autonomes. 10. Protocole de communication selon la revendication 9, caractérisé en ce que chaque unité autonome émet une balise à une période d'émission donnée, portant l'identifiant du réseau, l'identifiant de l'émetteur, le numéro de 20 l'intervalle de temps, la date et l'heure.