Brevet FR2948190A1 — publié le 20110121

- 1- "Procédé et dispositif de détection d'une chute d'un corps dans l'eau." La présente invention concerne un procédé et un dispositif de détection de chute d'un corps dans l'eau capable de discriminer les effets causés par la chute du dit corps et les effets parasites causés par l'environnement (vent, robot de nettoyage, pompe de filtration,...). Elle trouve une application particulièrement intéressante dans le domaine des systèmes d'alarme pour piscines enterrées non closes privatives io à usage individuel ou collectif qui détectent l'immersion d'un corps dans un bassin. Les piscines privées présentent un danger pour les enfants accédant librement au bassin. Des dispositifs de sécurité ont donc été mis au point 15 comme celui décrit dans le brevet européen EP0383649 (Mourgues). Le capteur de détection décrit dans le brevet EP0383649 se compose d'une membrane, d'un élément piézo-électrique, et d'une pastille élastomère de dureté définie. La chute d'un corps dans l'eau génère des ondes sonores ou sub-sonores qui sont détectées par l'élément piézo-électrique et traité par 20 une électronique de détection. Certains effets perturbateurs sont éliminés par le dispositif mécanique qui amortit ou atténue les fréquences supérieures à 5 Hz. Il se trouve que l'environnement du bassin génère également des 25 ondes sonores ou sub-sonores inférieures à 5 Hz. Si aucun filtrage n'est mis en place, ces ondes peuvent masquer l'effet causé par la chute d'un très jeune enfant. En effet, selon les conditions de chute de l'enfant, et selon son poids, les ondes causées par cette chute peuvent présenter une amplitude inférieure à celles générés par l'environnement du bassin. 30 Le dispositif de l'art antérieur n'est pas capable d'éliminer des effets indésirables dus à l'environnement du bassin (vent, robot de nettoyage, pompe de filtration,...). Le dispositif de l'art antérieur permet de s'affranchir de certains déclenchements intempestifs, mais peut aussi masquer des 35 évènements de faible intensité, comme la chute lente d'un très jeune enfant. 2 La présente invention a pour but de remédier aux inconvénients précités en proposant un nouveau dispositif capable de discriminé les effets de l'environnement. Un autre but de l'invention est un procédé haute résolution capable de fournir un résultat rapide. On atteint au moins l'un des objectifs précités avec un procédé pour détecter la chute d'un corps dans l'eau, dans lequel : - on utilise un élément piézoélectrique pour détecter des vibrations io causées par des vagues dans l'eau et pour générer un signal électrique, - on réalise au moins un filtrage passe bas de façon à atténuer des fréquences supérieures à un seuil donné compris notamment entre 2 et 8 Hz, de préférence 5 Hz, - on calcule en temps réel un spectre du signal ainsi filtré au moyen 15 d'une transformée de Fourier rapide FFT, on est donc passé du domaine analogique au domaine numérique, - on compare le spectre ainsi calculé à un spectre de référence obtenu à partir d'un historique de spectres calculés antérieurement et stockés en mémoire, et 20 - on considère, en émettant par exemple une alarme, une situation de chute lorsque le niveau d'énergie d'au moins l'une des raies du spectre en cours dépasse un seuil prédéterminé par rapport à une raie correspondante dans le spectre de référence. 25 Avec le procédé selon l'invention, on est capable de discriminer des effets parasites dus à des événements récurrents (par exemple vent, robot de nettoyage dans un bassin,...) par rapport à une chute lente d'un très jeune enfant. On utilise favorablement un historique stocké en mémoire de façon à élaborer en temps réel et à chaque fois que le calcul FFT est réalisé, 30 un spectre de référence que l'on compare au résultat FFT en cours. Selon une caractéristique avantageuse de l'invention, avant l'étape de comparaison, on réalise un filtrage numérique du spectre calculé par FFT de façon à éliminer des raies considérées comme parasites suivant des critères 35 prédéterminés, ce spectre sans parasites étant ensuite intégré dans l'historique. Ainsi, l'historique est constitué d'un ensemble de spectres exempts de raies représentatives d'événements exceptionnels. Ces critères prédéterminés peuvent être un seuil de niveau d'énergie, ou par exemple ne conserver toujours qu'un nombre donné de raies bien identifiées. Avantageusement, le filtrage passe bas peut se faire de façon numérique et notamment préalablement à l'élimination des parasites, en éliminant des raies de fréquences supérieures à 5 Hz. Selon un mode de mise en oeuvre avantageux de l'invention, le spectre de référence est un spectre moyen calculé à partir d'un nombre prédéterminé de spectres antérieurs en plus du spectre courant. En d'autres termes, l'historique comprend toujours un même nombre de spectres, le spectre de référence étant une moyenne. On peut considérer qu'il s'agit d'un historique glissant qui tient ainsi compte de l'évolution de l'environnement. Ce spectre de référence représente le � bruit � ambiant ou l'activité � normale � de l'eau. Avantageusement, on réalise on réalise la FFT sur une fenêtre temporelle glissante d'une durée d'environ 40 secondes, de façon périodique avec une période égale par exemple à une seconde. Le temps de calcul de la FFT est relativement court, de l'ordre de quelques millisecondes. Selon un mode de réalisation avantageux de l'invention, ledit au moins un filtrage passe-bas comprend un filtrage mécanique obtenu avec un matériau absorbeur de vibrations disposé entre une membrane en contact avec l'eau et l'élément piézoélectrique. Le matériau absorbeur de vibrations placé au centre entre la membrane et l'élément piézo-électrique peut être une pastille d'élastomère de dureté Shore entre 20 et 25 constituant un pont d'élastomère. On peut notamment utiliser un capteur tel que décrit dans le document EP0383649. Mais un tel capteur ne permet pas réellement de réaliser un filtrage efficace. C'est pour cela, on peut prévoir dans tous les cas, un filtrage analogique au moyen d'un filtre passe bande de 0,1 Hz à 5 Hz. Selon un autre aspect de l'invention, il est proposé un dispositif pour détecter la chute d'un corps dans l'eau. Ce dispositif comprenant : - un élément piézo-électrique pour détecter des vibrations causées par des vagues dans l'eau et pour générer un signal électrique, - un filtre passe-bas pour atténuer des fréquences supérieures à un seuil compris entre 2 et 8 Hz, de préférence 5 Hz, - un microcontrôleur pour calculer en temps réel un spectre du signal ainsi filtré au moyen d'une transformer de Fourier rapide FFT ; - un espace mémoire pour sauvegarder un historique de spectres calculés antérieurement ; ce microcontrôleur étant configuré de façon à comparer le spectre ainsi calculé en temps réel à un spectre de référence obtenu à partir de l'historique, et générer un signal d'alarme lorsque le niveau d'énergie d'au moins l'une des raies du spectre en cours dépasse un io seuil prédéterminé par rapport à une raie correspondante dans le spectre de référence. Le signal d'alarme peut être de type sonore ou lumineux. Avantageusement, on peut prévoir un en outre un circuit pour équilibrer le signal électrique en tension avant d'intégrer le microcontrôleur 15 qui fait partie d'un circuit dédié de traitement de signaux numériques de type DSP. D'autres avantages et caractéristiques de l'invention apparaîtront à l'examen de la description détaillée d'un mode de mise en oeuvre nullement 20 limitatif, et des dessins annexés, sur lesquels : La figure 1 est une vue schématique générale d'une piscine équipée d'un détecteur de chute selon l'invention, La figure 2 est une vue schématique en coupe d'un détecteur de chute selon l'invention, 25 La figure 3 est une vue schématique de dessus du détecteur de chute de la figure 2, La figure 4 est un schéma bloc simplifié allant du capteur dans l'eau jusqu'à une centrale de commande, et La figure 5 est un organigramme simplifié d'un exemple d'algorithme 30 mis en oeuvre au sein d'un circuit de traitement de signaux numériques de type DSP. Sur la figure 1 on voit un bassin ou piscine 1 remplie d'eau. Sur une paroi de la piscine est fixé un détecteur 2 selon l'invention. La piscine est 35 remplie de telle sorte que le détecteur 2 est complètement immergé dans l'eau. Le détecteur 2 est idéalement positionné entre 24cm et 30cm en dessous du niveau normal de l'eau. Il est fixé par collage à l'aide d'une colle silicone par exemple, ou par vis éventuellement, selon la nature du revêtement de la paroi. Ce détecteur 2 est relié à une centrale 3 par un câble de liaison 4. La centrale est fixée à l'abri des intempéries, sur un support tel qu'un mur ou un panneau. En cas de chute d'un objet de plus de 6 kg par exemple dans la piscine, io le détecteur 2 détecte cette immersion, puis transmet l'information vers la centrale qui est munie d'une sirène intégrée de façon à émettre un signal d'alarme dont le niveau sonore peut être supérieur à 105 dB à 1m. Par ailleurs, chaque détection du détecteur 2 est signalée par l'allumage en rouge d'un voyant lumineux visible sur la figure 2. 15 On peut envisager d'intégrer plusieurs détecteurs gérés par une seule centrale, chaque détecteur couvrant une zone en demi-cercle d'un rayon de six mètres. Sur la figure 21 on voit de façon schématique les composants internes 20 d'un détecteur 2 selon l'invention. L'ensemble est contenu dans un boîtier étanche 5 dont l'ouverture supérieure est fermée de façon étanche par une membrane déformable 6 en plastique. Cette membrane est en contact avec l'eau et subit alors des ondes sonores ou sub-sonores générées par cette eau de la piscine. Le boîtier 5 porte des arceaux en plastique 7 pour protéger la 25 membrane contre des contacts avec d'éventuels nageurs ou objet tout en laissant largement l'eau pénétrer jusqu'à la membrane 6. On distingue dans le boîtier, à proximité de la membrane 6, un élément piézoélectrique 8 en forme de disque, dont le bord circulaire est encastré de façon à faire corps avec le boîtier 5. Selon un exemple non limitatif de réalisation de l'invention, 30 entre la membrane 6 et l'élément piézoélectrique 8 est placée au centre une pastille 9 calée entre les deux en élastomère silicone non corrosif autoadhérent. Sa dureté Shore A est de 20 à 25. Cette pastille permet de réaliser un filtrage mécanique de façon à atténuer ou éliminer des fréquences supérieures à 5 Hz. Un tel filtrage mécanique peut avantageusement être 35 conçu et dimensionné tel que celui décrit dans le document EP0383649 (Mourgues). Selon l'invention, d'autres types de filtrage mécanique peuvent être envisagés. On peut réaliser un filtrage à base de tout matériau propre à absorber des vibrations comme par exemple une plaquette de liège, du caoutchouc ou encore de la résine. L'élément piézoélectrique 8 est relié via une liaison électrique 10 à un circuit imprimé 11 doté d'un circuit de traitement de signaux numériques 12 de type DSP (� Digital Signal Processing �). Ce circuit comporte un microcontrôleur et des espaces mémoires. Le câble 4 est directement relié au circuit imprimé 11 à l'intérieur du io boîtier 5. Ce câble permet de véhiculer de l'information de façon bidirectionnelle et une alimentation électrique vers le circuit imprimé. Une diode électroluminescente DEL 13, visible de l'extérieur, est également reliée au circuit imprimé 11 de façon à alerter de façon lumineux une détection en cas d'immersion. 15 Sur la figure 3 on voit le dessus du détecteur 2 selon l'invention. On distingue les éléments visibles de l'extérieur tels que les arceaux en plastique 7, la membrane en plastique 6, la LED 13, le câble 4 est bien entendu le boîtier 5. Sur la figure 4, l'ensemble membrane 6, pastille 9 et élément 20 piézoélectrique 8 constituent un capteur 14 qui émet un signal en courant. Le convertisseur 15 est un circuit analogique réalisant la conversion du signal en courant vers un signal en tension. On utilise avantageusement un filtre passe bande 16 ne laissant passer que des fréquences comprises entre 0.1Hz et 5Hz. Un circuit analogique d'équilibrage 17 permet de centre le signal en 25 tension à 1.66volts de façon à optimiser le fonctionnement du circuit DSP 12. Le traitement au sein du circuit DSP se fait en numérique. Pour ce faire, une conversion analogique-numérique, sur par exemple 512 points, est réalisée à l'entrée de ce circuit. En fonction du résultat des opérations réalisées dans le circuit DSP, un signal est transmis vers la centrale 3. 30 La présente invention comporte un étage électronique de traitement, dont l'étage numérique est destiné à analyser le signal, à en conserver les éléments pertinents et à mettre en oeuvre un algorithme de détection. Pour analyser le signal, on réalise un traitement du signal par Fast Fourier 35 Transform (FFT). Une transformée de Fourier permet de représenter un phénomène temporel dans le domaine fréquentiel sous la forme de raies 7 spectrales à des fréquences élémentaires, l'amplitude de chaque raie correspondant à l'énergie contenue dans le signal pour chacune des fréquences. Dans le cas du capteur (membrane, pastille et élément piézoélectrique) tel que décrit par rapport à la figure 2, le traitement du signal apporte, après le filtrage mécanique, un deuxième niveau de filtrage. Cet étage numérique est constitué du microcontrôleur de type DSP qui, en temps réel calcule une FFT périodique à l'intérieur de la bande des 5Hz préalablement filtrée. io Sur la figure 5, on voit un exemple d'algorithme mis en oeuvre pour traiter le signal provenant du capteur 14 de la figure 4. Après le calcul de la FFT à l'étape 18, on réalise éventuellement un filtrage numérique 19 pour éliminer toutes fréquences au-delà de 5Hz. Ce filtrage numérique vient en complément ou à la place d'autre filtrages mécanique et/ou analogique 15 précédents. A l'étape 20 on réalise un autre filtrage numérique de façon à éliminer des fréquences parasites selon des critères prédéterminés. On peut par exemple prédéfinir une trentaine de raies spectrales à analyser, les autres 20 étant éliminées. On peut aussi envisager d'éliminer des raies spectrales ayant une trop grande énergie ou une variation d'énergie trop élevée par rapport à une raie correspondante lors du calcul FFT précédent. A l'étape 21, on stocke le spectre de raies ainsi filtré dans des espaces mémoires ensemble avec de précédents spectres de façon à constituer un 25 historique. Avantageusement, l'historique contient un nombre prédéfini de spectres. Le dernier spectre calculé, chasse le spectre le plus ancien de sorte que l'on constitue un historique glissant. A l'étape 22, on calcule un spectre de référence qui est le résultat d'une 30 moyenne de l'historique. A l'étape 23, on réalise une comparaison par niveau d'énergie entre le spectre moyen et le spectre qui vient d'être calculé à la sortie de la FFT (ou éventuellement après le filtrage numérique passe-bas à 5Hz). Lorsque le résultat de la comparaison, entre le spectre instantanée et le spectre moyen 35 historique, dépasse un seuil prédéterminé, un signal d'alarme est transmis vers la DEL 13 et vers la centrale 3. L'étage numérique et l'algorithme réalisent un complément de filtrage visant à éliminer systématiquement, et en temps réel, les raies des ondes sonores ou sub-sonores causées par des oscillations du bassin dues à des activités extérieures tel que le vent. En conservant en temps réel les raies spectrales non significativement affectées par l'environnement du bassin, on constitue ainsi un spectre de référence propre, à partir duquel on est capable de distinguer efficacement la chute d'un très jeune enfant. Pour détecter la chute d'un corps, on fait alors, toujours en temps réel et à la même période io que le calcul de la FFT, une comparaison de ce spectre de référence avec l'énergie brute du signal filtré. Il y a alarme si en temps réel l'énergie brute du signal dépasse des seuils associés au spectre de référence. Bien sûr, l'invention n'est pas limitée aux exemples qui viennent d'être 15 décrits et de nombreux aménagements peuvent être apportés à ces exemples sans sortir du cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Procédé pour détecter la chute d'un corps dans l'eau, dans lequel : - on utilise un élément piézoélectrique pour détecter des vibrations causées par des vagues dans l'eau et pour générer un signal électrique, - on réalise au moins un filtrage passe bas de façon à atténuer des fréquences supérieures à un seuil donné, - on calcule en temps réel un spectre du signal ainsi filtré au moyen d'une io transformée de Fourier rapide FFT, - on compare le spectre ainsi calculé à un spectre de référence obtenu à partir d'un historique de spectres calculés antérieurement et stockés en mémoire, et - on considère une situation de chute lorsque le niveau d'énergie d'au moins 15 l'une des raies du spectre en cours dépasse un seuil prédéterminé par rapport à une raie correspondante dans le spectre de référence. 2. Procédé selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'avant l'étape de comparaison, on réalise un filtrage numérique du spectre calculé par FFT de 20 façon à éliminer des raies considérées comme parasites suivant des critères prédéterminés, ce spectre sans parasites étant ensuite intégré dans l'historique. 3. Procédé selon la revendication 2, caractérisé en ce qu'on élimine en outre 25 des raies de fréquences supérieures audit seuil donné de sorte qu'on réalise ledit au moins un filtrage passe-bas de façon numérique. 4. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que le spectre de référence est un spectre moyen calculé à 30 partir d'un nombre prédéterminé de spectres antérieurs en plus du spectre courant. 5. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on réalise la FFT sur une fenêtre temporelle glissante. 35 20 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce qu'on calcule le spectre de façon périodique. 7. Procédé selon la revendication 6, caractérisé en ce que la période est égale s à une seconde. 8. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un filtrage passe-bas comprend un filtrage mécanique obtenu avec un matériau absorbeur de vibrations disposé io entre une membrane en contact avec l'eau et l'élément piézoélectrique. 9. Procédé selon la revendication 8, caractérisé en ce que le matériau absorbeur de vibrations placé au centre entre la membrane et l'élément piézo-électrique est une pastille d'élastomère de dureté Shore entre 20 et 25 15 constituant un pont d'élastomère. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit au moins un filtrage passe-bas comprend un filtrage analogique en utilisant un filtre passe bande de 0,1 Hz à 5 Hz. 11. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que ledit seuil donné est compris entre 2 et 8 Hz, et est de préférence égal à 5 Hz. 25 12. Dispositif pour détecter la chute d'un corps dans l'eau, comprenant : - un élément piézo-électrique pour détecter des vibrations causées par des vagues dans l'eau et pour générer un signal électrique, - un filtre passe-bas pour atténuer des fréquences supérieures à un seui donné, 30 - un microcontrôleur pour calculer en temps réel un spectre du signal ainsi filtré au moyen d'une transformer de Fourier rapide FFT ; - un espace mémoire pour sauvegarder un historique de spectres calculés antérieurement ; ce microcontrôleur étant configuré de façon à comparer le spectre ainsi calculé en temps réel à un spectre de référence obtenu à partir 35 de l'historique, et générer un signal d'alarme lorsque le niveau d'énergie d'aumoins l'une des raies du spectre en cours dépasse un seuil prédéterminé par rapport à une raie correspondante dans le spectre de référence. 13. Dispositif selon la revendication 12, caractérisé en ce que le filtre passe- bas comprend un filtre mécanique comprenant un matériau absorbeur de vibrations disposé entre une membrane en contact avec l'eau et l'élément piézoélectrique. 14. Dispositif selon la revendication 13, caractérisé en ce que le matériau io absorbeur de vibrations placé au centre entre la membrane et l'élément piézo-électrique est une pastille d'élastomère de dureté Shore entre 20 et 25 constituant un pont d'élastomère. 15. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 14, caractérisé 15 en ce que le filtre passe-bas comprend un filtre analogique passe bande de 0,1 Hz à 5 Hz. 16. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 12 à 15, caractérisé en ce qu'il comprend en outre un circuit pour équilibrer le signal électrique en 20 tension avant d'intégrer le microcontrôleur qui fait partie d'un circuit dédié de traitement de signaux numériques de type DSP.