Brevet FR2955997A1 — publié le 20110805

La présente invention concerne la surveillance et le contrôle d'objets communicants à distance. Plus particulièrement, la présente invention concerne un microsystème modulaire, reconfigurable et cognitif pour la collecte et le transfert de données télésanté principalement. La télésanté, via la collecte et le transfert régulier de données physiologiques, permet de surveiller/diagnostiquer l'état d'un patient à distance (ex. traitement des maladies chroniques), d'améliorer la forrue physique/bien-être d'un usager (ex. sports et fitness) et de maintenir l'autonomie des personnes âgées (ex. vieillissement indépendant). Comme l'illustre la figure 1, des capteurs corporels (111-115) mesurent des paramètres physiologiques (taux de glucose, tension, électrocardiogramme...) et communiquent leurs relevés respectifs au noeud-coordinateur (121) du réseau local (101). Le noeud-coordinateur assure l'interface avec un ou plusieurs réseaux externes (131-132) pour le stockage et traitement ultérieur des paramètres physiologiques collectés ainsi que pour la configuration et la mise à jour des capteurs par les fournisseurs de services télésanté. Les échanges de données, entre les capteurs télésanté (111-115) et le noeud coordinateur (121), sont traditionnellement effectués soit à l'aide d'un protocole de communication sans fil de type `Bluetooth Low Energy' pour des situations à forte mobilité (déplacements), soit à l'aide d'un protocole de communication de type `Zigbee/IEEE 802.15.4' pour des situations à faible mobilité (utilisation à domicile, salle de gym...). L'usage de ces deux normes pose actuellement plusieurs problèmes. Premièrement et même si ces deux normes adressent des degrés de mobilité théoriquement différents, l'absence d'interopérabilité entre elles peut être source de frustration pour l'utilisateur. Deuxièmement, plusieurs applications (traitement des maladies chroniques, sports et fitness voire vieillissement indépendant) pourraient bénéficier d'une exposition aux deux normes. Par exemple, un électrocardiographe apposé sur la poitrine d'un patient souffrant d'arythmie pourrait communiquer ses mesures en continu soit via un routeur `Zigbee/IEEE 802.15.4' soit via un téléphone cellulaire `Bluetooth Low Energy' suivant la disponibilité respective de ces deux normes pour un espace-temps donné. Une solution bi-mode reconfigurable, capable de détecter et de s'adapter à tout moment à l'environnement dans lequel elle évolue (`Bluetooth Low Energy' ou `Zigbee/IEEE 802.15.4'), permettrait ainsi une meilleure prévention des accidents santé et un maximum de flexibilité pour l'utilisateur. Les solutions actuelles de télésanté, en plus d'être mono-mode (`Bluetooth Low Energy' ou `Zigbee/IEEE 802.15.4') n'ajustent pas dynamiquement leur niveau de performance (sensibilité, linéarité, niveau de filtrage...) en fonction des conditions changeantes du contexte radiofréquence (niveau d'interférence, distance de propagation...) dans lequel elles évoluent. Cette configuration statique et sur-dimensionnée a pour effet d'augmenter la consommation électrique et de réduire l'autonomie des capteurs télésanté. Les microsystèmes actuels, à partir desquels sont construits les produits finaux télésanté, souffrent également d'un manque de flexibilité afin d'adresser les multiples degrés de liberté auxquels les produits finaux télésanté sont confrontés 'Bluetooth Low Energy' ou `Zigbee/IEEE 802.15.4' ou bi-mode comme protocole de communication, choix de la source d'alimentation (pile ou récupérateur d'énergie thermique/cinétique/solaire...), type de capteur MEMS (microsystème électromécanique) à utiliser... Ces multiples degrés de liberté engendrent le développement d'une multitude de microsystèmes customisées mais à faible volume, ce qui a pour effet d'augmenter les coûts de développement et de fabrication. Le microsystème selon l'invention permet de remédier à l'ensemble des inconvénients précédemment cités. Il est composé en effet, selon une première caractéristique, d'un empilement vertical d'une ou plusieurs puces de silicium (alias modules) avec, par défaut, soit une puce `de base' soit un tandem formé d'une puce `de base' et d'une puce `complémentaire'. Selon une autre caractéristique, la puce `de base' est une solution hybride, qui est majoritairement composée de blocs fonctionnels bi-mode dynamiquement reconfigurables, supportant l'intégralité de la norme 'Bluetooth Low Energy' et une portion de la norme `Zigbee/IEEE 802.15.4'. La puce `complémentaire', selon une autre caractéristique, implémente les blocs fonctionnels restants pour la réalisation d'une solution `Zigbee/IEEE 802.15.4' complète. Selon des modes particuliers de réalisation, le microsystème selon l'invention peut également comporter une puce `capteur' et/ou une puce `énergie' et/ou une puce `composant' en plus de la puce `de base' ou d'un tandem formé de la puce `de base' et de la puce `complémentaire'. La puce `capteur' et la puce `énergie' supportent respectivement le type de capteur microélectromécanique/MEMS et de récupérateur d'énergie (solaire, thermique, cinétique...) ayant été sélectionnés tandis que la puce `composants' comporte des éléments passifs RLC (résistances, inductances/selfs, capacités). Cette approche modulaire et reconfigurable permet non seulement de réaliser des produits finaux télésanté customisés, de manière flexible et à coût réduit, mais également de pouvoir supporter conjointement et économiquement plusieurs modes opératoires (`Bluetooth Low Energy' et `Zigbee/IEEE 802.15.4' ). Selon une autre caractéristique, le microsystème selon l'invention utilise un récepteur radio cognitif qui est capable de s'adapter dynamiquement à un contexte radiofréquence donné. Ainsi, la consommation électrique de plusieurs blocs fonctionnels du récepteur radio sera optimisée à tout moment en fonction du contexte ambiant, ce qui permettra d'améliorer d'autant l'autonomie du noeud réseau télésanté et l'expérience de l'utilisateur. Les dessins annexés illustrent l'invention : la figure 1 représente un réseau corporel télésanté ainsi que son interface avec un ou plusieurs réseaux externes via un noeud- coordinateur ; la figure 2 représente, dans un espace à trois dimensions et de manière explosée, le microsystème modulaire et reconfigurable de l'invention constitué d'une puce `de base' et d'une puce `complémentaire' ; la figure 3a représente, dans un espace à trois dimensions, une variante de ce microsystème modulaire et reconfigurable constituée d'une puce `de base', d'une puce `capteur', d'une puce `composants' et d'une puce `énergie' ; la figure 3b représente, dans un espace à trois dimensions, une autre variante de ce microsystème modulaire et reconfigurable constituée d'un tandem formé d'une puce `de base' et d'une puce `complémentaire' ainsi que d'une puce `capteur', d'une puce `composants' et d'une puce `énergie' et la figure 4 est un schéma-bloc du récepteur radio cognitif et reconfigurable. Les caractéristiques représentées sur les dessins annexés sont identifiées par des numéros de référence uniques et un élément identique sur plusieurs dessins est identifié par le même numéro de référence. En rapport à ces dessins et notamment à la figure 2, le microsystème modulaire et à intégration verticale se compose par défaut d'une puce `de base' (210) constituée majoritairement de blocs fonctionnels bi-mode, c'est-à-dire de blocs pouvant être utilisés en mode `Bluetooth Low Energy' ou `Zigbee/IEEE 802.15.4' un émetteur-récepteur cognitif et reconfigurable (211) pour la radiocommunication avec une ou plusieurs entités externes, un microcontrôleur (212) et mémoire vive/RAM associée (213) pour le contrôle des modes de fonctionnement du microsystème ainsi que le traitement d'une partie des données, un bloc de gestion de puissance (214) pour l'administration et la régulation des niveaux de tension ainsi qu'un bloc de conditionnement et d'acquisition (215) pour le traitement et la digitalisation des signaux en provenance d'un ou plusieurs capteurs. En parallèle, la puce `de base' (210) est constituée également d'un accélérateur matériel `Bluetooth Low Energy' (216) pour le traitement de données nécessitant un temps de réaction rapide, ainsi que d'une mémoire-programme (217) de type Flash et/ou ROM. La mémoire-programme contient l'intégralité de la pile logicielle `Bluetooth Low Energy' complémentée par une entité de gestion de l'appareil. Cette dernière permet de contrôler les différents modes de fonctionnement de l'appareil, de gérer l'interface avec le(s) capteur(s) et de (re)configurer dynamiquement le microsystème en mode `Bluetooth Low Energy' ou `Zigbee/ IEEE 802.15.4' si une version bi-mode est supportée. La puce complémentaire (220) implémente les blocs restants pour la réalisation d'une solution `Zigbee/IEEE 802.15.4' complète. Elle est constituée d'un accélérateur matériel IEEE 802.15.4 (221) et d'une mémoire-programme (222), de type Flash et/ou ROM, contenant l'intégralité de la pile logicielle `Zigbee/IEEE 802.15.4'. Trois interfaces existent entre la puce `de base' (210) et la puce `complémentaire' (220) : une première interface entre l'accélérateur matériel IEEE 802.15.4 (221) et l'émetteur-récepteur cognitif et reconfigurable (211) ; une deuxième interface entre l'accélérateur matériel IEEE 802.15.4 (221) et le microcontrôleur (212) ; et une troisième interface entre la mémoire-programme (222), de type Flash et/ou ROM, contenant l'intégralité de la pile logicielle `Zigbee/IEEE 802.15.4' et le microcontrôleur (212). Dans les formes de réalisation selon les figures 3a et 3b, le microsystème modulaire et à intégration verticale se compose également d'une puce `capteur' (310), d'une puce `composants' (320) et d'une puce `énergie' (330) en plus de la puce `de base' (210) ou d'un tandem formé de la puce `de base' (210) et de la puce `complémentaire' (220). La puce `capteur' (310) et la puce `énergie' (330) supportent respectivement le type de capteur MEMS et de récupérateur d'énergie (solaire, thermique, cinétique...) ayant été sélectionnés tandis que la puce `composants' (320) comporte des éléments passifs RLC (résistances, inductances/selfs, capacités). Bien que les microsystèmes représentés sur les figures 3a et 3b soient constitués d'un empilement de respectivement quatre et cinq puces, d'autres réalisations, avec un nombre de puces plus restreint ou plus étendu, peuvent également être constituées. Par exemple et selon des variantes non-illustrées, un microsystème mono-mode, conforme à la norme `Bluetooth Low Energy', sera composé de une à quatre puces (puce `de base' (210) ainsi que d'une puce `capteur' (310) et/ou d'une puce `énergie' (330) et/ou d'une puce `composants'(320)) tandis qu'un microsystème mono-mode de type `Zigbee/IEEE 802.15.4' ou bi-mode sera composé de deux à cinq puces (puce `de base' (210) et puce `complémentaire'(220) ainsi que d'une puce `capteur' (310) et/ou d'une puce `énergie' (330) et/ou d'une puce `composants' (320)). Figure 4 est un schéma-bloc du récepteur radio de la puce de base (210). Ce récepteur cognitif et reconfigurable fonctionne sur le principe du sous-échantillonnage de la fréquence intermédiaire. Après avoir été filtré par un filtre passe-bande RF (402) et amplifié par un amplificateur à faible bruit/LNA (403), le signal en provenance de l'antenne (401) est converti en une fréquence intermédiaire par un mélangeur (404) puis filtré par un filtre passe-bande IF (405) avant d'être sous-échantillonné par un convertisseur analogique-numérique/ADC (406). Le signal est par la suite traité numériquement en étant tout d'abord centré sur la fréquence zéro par deux mélangeurs numériques (407 et 408) en quadrature de phase, afin d'extraire les parties réelles et imaginaires, puis filtré par des filtres passe-bas (409 et 410) et démodulé par le bloc démodulateur (411). Les caractéristiques techniques de plusieurs blocs fonctionnels de la chaîne réceptrice sont ajustés dynamiquement par l'entité de gestion du contexte (412) en fonction des conditions de propagation et d'interférence. Ces dernières étant évaluées à partir de la force du signal reçu et des taux d'erreurs bit et/ou paquet reçus. Les caractéristiques techniques ajustables et les blocs de la chaîne réceptrice concernés sont : le gain, la linéarité et la figure de bruit pour l'amplificateur à faible bruit/LNA (403) ; le facteur de roll-off (alias raideur du filtre) et bande passante pour le filtre passe-bande IF (405) et les filtres passe-bas (409 et 410) ; la résolution et fréquence d'échantillonnage pour le convertisseur analogique-numérique/ADC (406). En plus d'optimiser la consommation électrique et la robustesse de la chaîne réceptrice en fonction du contexte ambiant, l'entité de gestion du contexte (412), qui est généralement placée sous le contrôle de l'entité de gestion de l'appareil, assure également la reconfiguration dynamique des blocs fonctionnels des chaînes émettrices et réceptrices pour le support alternée des deux modes opératoires (`Bluetooth Low Energy' et `Zigbee/IEEE 802.15.4') si une version bi-mode est implémentée. Le microsystème selon l'invention est particulièrement destiné pour la collecte et le transfert de données télésanté mais peut également s'appliquer à d'autres domaines tels que les télécommandes universelles pour l'électronique grand public, les périphériques PC et jeux vidéo (souris, joystick, clavier...), les montres sports/digitales, et tout autre appareil désireux de supporter les modes opératoires, `Bluetooth Low Energy' et/ou `Zigbee/IEEE 802.15.4', de manière modulaire, reconfigurable et cognitive. 20 25 30 35 REVENDICATIONS1. Microsystème caractérisé en ce qu'il se compose d'une puce de silicium `de base' (210), constituée d'une part de blocs fonctionnels bi-mode qui peuvent être soit utilisés en mode `Bluetooth Low Energy' soit en mode `Zigbee/IEEE 802.15.4' : un émetteur-récepteur reconfigurable (211), un microcontrôleur (212) et mémoire vive/RAM associée (213), un bloc de gestion de puissance et régulateurs de tension (214) ainsi qu'un bloc de conditionnement et d'acquisition (215) pour le traitement et la digitalisation des signaux en provenance d'un ou plusieurs capteurs ; et constituée d'autre part d'un accélérateur matériel `Bluetooth Low Energy' (216) pour le traitement de données nécessitant un temps de réaction rapide, ainsi que d'une mémoire-programme (217) de type Flash et/ou ROM. 2. Microsystème selon la revendication 1 caractérisé en ce que la mémoire-programme (217) de la puce de base (210) contienne l'intégralité de la pile logicielle `Bluetooth Low Energy' ainsi qu'une entité de gestion de l'appareil permettant de contrôler les différents modes de fonctionnement de l'appareil et de gérer l'interface avec le(s) capteur(s). 3. Microsystème selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il se compose également d'une puce de silicium `complémentaire' (220) qui est intégrée verticalement avec la puce `de base' (210) et qui implémente les blocs fonctionnels restants pour la réalisation d'une solution `Zigbee/IEEE 802.15.4' complète : un accélérateur matériel IEEE 802.15.4 (221) pour le traitement de données nécessitant un temps de réaction rapide, et une mémoire-programme (222), de type Flash et/ou ROM, contenant l'intégralité de la pile logicielle `Zigbee/IEEE 802.15.4'. 4. Microsystème selon la revendication 3 caractérisé en ce qu'au moins trois interfaces existent entre la puce `de base' (210) et la puce `complémentaire' (220) : une première interface entre l'accélérateur matériel IEEE 802.15.4 (221) de la puce `complémentaire' (220) et l'émetteur-récepteur cognitif et reconfigurable (211) de la puce `de base' (210) ; une deuxième interface entre l'accélérateur matériel IEEE 802.15.4 (221) de la puce `complémentaire' (220) et le microcontrôleur (212) de la puce `de base' (210) ; et une troisième interface entre la mémoire-programme (222) de la puce `complémentaire' (220) et le microcontrôleur (212) de la puce `de base' (210). 5. Microsystème selon la revendication 3 ou la revendication 4 caractérisé en ce que la mémoire-programme (217) de la puce `de base' (210) contienne l'intégralité de la pile logicielle `Bluetooth Low Energy' ainsi qu'une entité de gestion de l'appareil permettant de : contrôler les différents modes de fonctionnement de l'appareil, gérer l'interface avec le(s) capteur(s), et(re)configurer dynamiquement l'ensemble du microsystème en mode `Bluetooth Low Energy' ou `Zigbee/IEEE 802.15.4'. 6. Microsystème selon la revendication 1 ou la revendication 2 caractérisé en ce qu'il se compose également d'au moins une puce de silicium additionnelle, intégrée(s) verticalement avec la puce `de base' (210) : puce `capteur' (310) implémentant un capteur microélectromécanique/MEMS, puce `énergie' (330) implémentant un récupérateur d'énergie, et puce `composants' (320) comportant des éléments passifs RLC (résistances, inductances/selfs, capacités). 7. Microsystème selon la revendication 3 ou la revendication 4 ou la revendication 5 10 caractérisé en ce qu'il se compose également d'au moins une puce de silicium additionnelle, intégrée(s) verticalement avec le tandem formé de la puce `de base' (210) et de la puce `complémentaire' (220) : puce `capteur' (310) implémentant un capteur microélectromécanique/MEMS, puce `énergie' (330) implémentant un récupérateur d'énergie, et puce `composants' (320) comportant des éléments passifs RLC (résistances, inductances/selfs, 15 capacités). 8. Microsystème selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que l'émetteur-récepteur reconfigurable (211) de la puce `de base' (210) utilise une chaîne réceptrice composée de plusieurs blocs fonctionnels dont les caractéristiques techniques peuvent être ajustées dynamiquement par l'entité de gestion du contexte (412) en fonction des conditions 20 de propagation et d'interférence : amplificateur à faible bruit/LNA (403) ajustable en termes d'au moins gain, linéarité et figure de bruit; filtre passe-bande (405) et filtres passe-bas (409 et 410) ajustables en termes d'au moins facteur de roll-off (alias raideur du filtre) et bande passante ; convertisseur analogique-numérique/ADC (406) ajustable en termes d'au moins résolution et fréquence d'échantillonnage. 25 9. Microsystème selon la revendication 3 ou la revendication 4 ou la revendication 5 ou la revendication 7 caractérisé en ce que l'entité de gestion du contexte (412) de l'émetteur-récepteur reconfigurable (211) de la puce `de base' (210) assure également la reconfiguration dynamique des blocs fonctionnels des chaînes émettrices et réceptrices de l'émetteur-récepteur (211) pour le support alternée des deux modes opératoires (Bluetooth Low Energy' et 30 `Zigbee/IEEE 802.15.4').