Brevet FR3092458A1 — publié le 20200807

Description Titre de l'invention : Concentrateur basse consommation et détecteur configuré pour communiquer avec ce concentrateur Domaine technique [0001] L'invention se rapporte au domaine général de la collecte ou remontée, dans un réseau, d'informations acquises par des capteurs et via un concentrateur. [0002] L'invention s'applique de façon privilégiée mais non limitative dans un envi- ronnement dans lequel les réseaux électriques sont rares ou de mauvaise qualité voire inexistants. Dans un tel environnement, il est naturel de chercher à utiliser un concentrateur autonome en énergie et à basse consommation. Il est généralement admis que la consommation d'un tel concentrateur devrait être inférieure à 5000 Wh/an et que le volume de sa source d'énergie devrait être inférieur à 2 litres, pour de simples questions de logistique. [0003] Dans l'état actuel de la technique, les concentrateurs reçoivent les signaux émis par les capteurs par des moyens de communication radiofréquence. Ces moyens de communication sont actifs en permanence pour pouvoir recevoir les signaux des capteurs. [0004] Malheureusement, ce type d'écoute consomme beaucoup d'énergie. Pour un ordre d'idée, on peut considérer que la puissance moyenne de ces concentrateurs est comprise entre 1W et 2W et que leur consommation annuelle est comprise entre 8760 Wh et 17520 Wh. En prenant en compte un coefficient de sécurité de 1,4, la quantité nécessaire d'énergie à prévoir est comprise entre 12.000 Wh et 24.500 Wh par an. 100051 Il a été envisagé d'alimenter un tel concentrateur soit avec un pack de piles soit avec des panneaux solaires (ou tout autre source d'énergie renouvelable) associés à une batterie. 100061 Malheureusement, ces solutions sont onéreuses et ne permettent pas de répondre aux caractéristiques souhaitées (encombrement inférieur à 2 litres, consommation inférieure à 5000 Wh/an). 100071 L'invention vise un concentrateur qui ne présente pas ces inconvénients et un détecteur comportant un capteur apte à remonter des données vers un tel concentrateur. Exposé de l'invention [0008] Plus précisément, et selon un premier aspect, l'invention concerne un détecteur comportant : - un capteur configuré pour acquérir une caractéristique de l'environnement dudit capteur ; - un module configuré pour réaliser un appairage du détecteur avec un concentrateur, et pour recevoir, pendant cet appairage, un identifiant unique du détecteur; 2 - une mémoire pour stocker cet identifiant unique et un programme d'ordinateur ; - un module de synchronisation d'une horloge du détecteur avec une horloge du concentrateur ; - un module de communication radio contrôlé par l'horloge du détecteur ; - un module de calcul configure pour déterminer, à partir de l'identifiant unique du détecteur, et en exécutant le programme d'ordinateur, au moins une plage d'émission d'une donnée de collecte obtenue à partir de la caractéristique de l'environnement acquise par le capteur ; - le module de communication radio étant configure pour envoyer la donnée de collecte au concentrateur pendant la plage d'émission. [0009] Selon un deuxième aspect, l'invention concerne un concentrateur comportant : - un module configure pour réaliser un appairage du concentrateur avec au moins un détecteur et pour envoyer à ce détecteur, pendant l'appairage, un identifiant unique propre au détecteur ; - une mémoire pour stocker cet identifiant unique et un programme d'ordinateur; - un module de synchronisation d'une horloge du concentrateur avec une horloge du détecteur ; - un module de communication radio contrôlé par l'horloge du concentrateur ; - un module de calcul configure pour déterminer, pour chacun des détecteurs, à partir de l'identifiant unique propre au détecteur, et en exécutant le programme d'ordinateur, au moins une plage de réception d'une donnée de collecte envoyée par le détecteur ; - un module de contrôle configure pour activer le module de communication radio dans les plages de réception, pour recevoir des données de collecte émises par au moins un détecteur et pour désactiver le module de communication radio, au moins en réception, en dehors de ces plages ; et - un module de communication configure pour transférer les données de collecte à au moins un équipement distant. [0010] L'invention vise enfin un système comportant un concentrateur et au moins un détecteur tels que mentionnés précédemment dans lequel, chaque plage d'émission déterminée par un détecteur est égale ou comprise dans une plage de réception déterminée par le concentrateur. [0011] Ainsi, et d'une façon générale, l'invention propose de diminuer les plages d'écoute du concentrateur en vue de diminuer sa consommation d'énergie, en synchronisant les plages de réception du concentrateur avec les plages d'émission des détecteurs. [0012] L'invention permet ainsi de faire remonter dans le réseau des données représentatives de l'environnement du capteur, par exemple une concentration de dihydrogène dans le fluide environnant, en réduisant au maximum l'énergie du concentrateur requise pour faire fonctionner ses moyens de communication radio. 3 [0013] Il est essentiel que le concentrateur soit synchronisé avec chacun des détecteurs. [0014] Dans un mode de réalisation, le module de synchronisation du concentrateur et le module de synchronisation de chacun des détecteurs se synchronisent indépendamment les uns des autres sur un dispositif tiers. [0015] Dans un autre mode de réalisation, le module de communication radio d'au moins un détecteur est configure pour recevoir un message de synchronisation émis par le concentrateur, l'horloge du détecteur étant synchronisée par le module de synchronisation du détecteur à partir de cc message de synchronisation. [0016] Dans ce mode de réalisation, le concentrateur est caractérisé en ce que son module de communication radio est configure pour envoyer un message de synchronisation à au moins un détecteur, pour que celui-ci synchronise son horloge avec l'horloge du concentrateur. [0017] Ce message de synchronisation peut être envoyé à un détecteur par le concentrateur en réponse à la réception de données de collecte envoyées par ce détecteur. Ce mode de réalisation permet de maintenir une bonne synchronisation entre les équipements. [0018] Dans un mode de réalisation, les moyens de communication radio des détecteurs et du concentrateur sont configurés pour communiquer dans une même bande de fréquences unique. Dans ce mode de réalisation, le concentrateur ne peut écouter qu'un détecteur à un instant donné. Les plages d'émission et de réception déterminées pour un détecteur ne recouvrent pas, même partiellement les plages d'émission et de réception déterminées pour un autre détecteur. [0019] Dans un autre mode de réalisation, les moyens de communication radio du concentrateur sont configurés dans au moins deux bandes de fréquences, de sorte que le concentrateur peut écouter au moins deux détecteurs en même temps si ceux-ci émettent dans deux bandes de fréquence différentes. Dans ce mode de réalisation, au moins une plage d'émission déterminée pour une première bande de fréquences peut recouvrir une plage d'émission déterminée pour une deuxième bande de fréquences différente de la première bande de fréquence. En pratique, les moyens de communication radio du concentrateur peuvent opérer sur huit bandes de fréquences, chacun des détecteurs étant configuré pour pouvoir communiquer sur une de ces bandes. Un concentrateur à plus de huit bandes de fréquences peut être utilisé dans l'invention mais son électronique est alors plus complexe. Dans un mode de réalisation, les modules de communication radio du concentrateur et des détecteurs sont compatibles et opèrent dans un réseau LPWAN par exemple en utilisant le protocole LoRaWAN standardisé par la LoRa Alliance. [0020] Pour plus de renseignements sur ce protocole, l'homme du métier peut se référer au document L0RaWANTM 1.1 Specification. Brève description des dessins [0021] D'autres caractéristiques et avantages de la présente invention ressortiront de la des- cription faite ci-dessous, en référence aux dessins annexés qui en illustrent un exemple de réalisation dépourvu de tout caractère limitatif Sur les figures : [fig.11 la figure 1 représente un système conforme à l'invention ; [fig.21 la figure 2 représente un procédé de collecte mis en oeuvre par un détecteur et par un concentrateur conformes à un mode particulier de réalisation de l'invention. Description des modes de réalisation [0022] La figure 1 représente un système SYS conforme à l'invention. Ce système comporte un concentrateur CON conforme à l'invention et une pluralité de détecteurs conformes à l'invention, dont un seul DET_i est représenté. On supposera dans cet exemple que le système comporte M détecteurs DET_O, ...DET_M-1 [0023] Dans le mode de réalisation décrit ici, chaque détecteur DET_i comporte : - une horloge HRL et un module SYN de synchronisation configuré pour synchroniser cette horloge à partir de messages MSYN de synchronisation reçus du concentrateur CON; - un module APP d'appairage du détecteur DET avec le concentrateur CON, ce module étant configuré pour recevoir durant cet appairage, via une transmission radiofréquence, un identifiant ID_i du détecteur ; - une mémoire MEM configurée pour mémoriser l'identifiant ID_i du détecteur, un programme informatique PG DET et des clés cryptographiques K i propres au détecteur et utilisées pour l'appairage avec le concentrateur ; - un capteur CAP configuré pour générer un signal électrique SIG représentatif d'une caractéristique de l'environnement du capteur CAP. Dans le mode de réalisation décrit ici, cette caractéristique est une concentration d'hydrogène et le signal SIG représente la concentration d'hydrogène dans l'environnement du capteur ; - un convertisseur courant/tension C/T configuré pour convertir le signal SIG en tension ; - un microcontrôleur MC comportant un convertisseur analogique numérique ADC configuré pour convertir la tension en sortie du convertisseur courant/tension C/T en une donnée numérique brute DNB et à envoyer à un module COM de communication radio contrôlé par l'horloge HRL, une donnée numérique de collecte DNC i obtenue à partir de cette donnée numérique brute DNB - un module de calcul CAL configuré pour déterminer à partir de l'identifiant ID_i de ce détecteur, en exécutant ledit programme d'ordinateur PG DET, au moins une plage d'émission de la donnée numérique de collecte DNC i; - un module de contrôle CTR configuré pour activer le module COM de commu- nication radio dans la ou les plages d'émission déterminées pour envoyer les données de collecte DNC_i au concentrateur CON et pour désactiver ce module COM de communication, au moins en émission, en dehors de ces plages ; et ledit module COM de communication radio, celui-ci étant configure pour envoyer la donnée numérique de collecte DNC_i au concentratcur CON et pour recevoir des messages de synchronisation MSYN du concentrateur CON. [0024] Dans le mode de réalisation décrit ici, la donnée numérique de collecte DNC_i envoyée au concentratcur CON est la donnée numérique brute DNB obtenue par conversion du signal proportionnel à la caractéristique de l'environnement du capteur. [0025] Dans le mode de réalisation décrit ici, le concentrateur CON comporte : - une horloge HRL et un module SYN de synchronisation configure pour générer des messages MSYN de synchronisation à partir de cette horloge HRL - un module APP d'appairage du concentrateur CON avec chaque détecteur DET ce module étant configure pour envoyer à un détecteur DET i, durant l'appairage avec ce détecteur DET i, via une transmission radiofréquence, un identifiant M i de ce détecteur DET_i ; - une mémoire MEM configure° pour mémoriser les identifiants ID _i de tous les détecteurs DET i, un programme informatique PU CON, et des clés cryptographiques K' _i utilisées pour l'appairage avec les détecteurs DET_i; - un module COM de communication radio contrôlé par l'horloge HRL, compatible avec le module COM de communication radio de chacun des détecteurs DET_i, et configure pour envoyer les messages de synchronisation MSYN à chacun des détecteurs DET_i; - un module de calcul CAL configure pour déterminer, pour chaque détecteur DET_i à partir de l'identifiant ID_i de ce détecteur, en exécutant ledit programme d'ordinateur PG_CON, une plage de réception par donnée numérique de collecte DNC_i émise par le détecteur DET_i; - un module de contrôle CTR configure pour activer le module COM de communication radio dans lesdites plages déterminées pour recevoir les données de collecte DNC_i émises par les détecteurs DET_i et pour désactiver ce module COM de communication, au moins en réception, en dehors de ces plages ; et - un module de communication COM_NET configure pour transférer lesdites données de collecte DNC_i à au moins un équipement distant EQD. [0026] Dans un mode de réalisation, le module de communication COM_NET peut être configure pour retransmettre directement les données de collecte DNC_i lorsqu'elles sont reçues par le module de communication radio COM. [0027] Dans un autre mode de réalisation, le module de communication COM_NET peut être configure pour retransmettre les données de collecte DNC_i de façon décorrélée 6 de leur réception, par exemple à une heure déterminée, ou par exemple en réponse à une requête en cc sens de l'équipement distant EQD. [0028] Dans le mode de réalisation décrit ici, les modules COM de communication radio des détecteurs DET_i et du concentrateur CON sont conformes au protocole LoRaWAN. [0029] La figure 2 représente un procédé général de collecte PGC mis en oeuvre par un détecteur et par un concentrateur conformes à un mode particulier de réalisation de l'invention. Cc procédé général de collecte comporte un procédé de collecte PC DET i mis en oeuvre par chacun des détecteurs DET_i et un procédé dc collecte PC CON mis en oeuvre par le concentrateur CON. [0030] Dans le mode de réalisation décrit ici, au cours d'une étape de configuration El 0, l'opérateur enregistre, dans la mémoire MEM du concentrateur, les clés cryptographiques K' _i pour chacun des détecteurs. [0031] Dans le mode de réalisation décrit ici, au cours d'une étape E20, le concentrateur CON associe un identifiant unique ID_i à chaque détecteur DET_i. Il mémorise ces identifiants ID_i dans sa mémoire MEM. Cette étape E20 peut être effectuée dès que l'opérateur enregistre les clés cryptographiques K' _i d'un détecteur DET [0032] Dans le mode de réalisation décrit ci-après, on supposera que ID = [0033] Pour appairer un détecteur DET_i sur le concentrateur CON, ce détecteur DET_i et le concentrateur CON mettent en oeuvre une étape E30 d'appairage. Cette étape connue de l'homme du métier des réseaux IoT (en anglais « Internet of Things ») sous le nom de OTAA (en anglais « Over The Air Activation ») utilise les clés cryptographiques K_i et Kti. Au cours de cette étape E30, le concentrateur CON transmet, via une transmission radiofréquence, l'identifiant unique ID_i au détecteur DET_i. Le détecteur DET_i enregistre son identifiant unique ID_i dans sa mémoire MEM. [0034] Conformément à l'invention, chaque détecteur DET_i comporte dans sa mémoire MEM un programme informatique PG_DET et le concentrateur CON comporte dans sa mémoire MEM un programme informatique PG_CON. [0035] Ces programmes peuvent être identiques. [0036] En tout état de cause, le programme PG_DET mis en oeuvre par un détecteur DET_i et le programme PG_CON mis en oeuvre par le concentrateur CON doivent permettre à ce détecteur DET_i et au concentrateur CON de calculer indépendamment l'un de l'autre, au cours d'une étape E40, une plage de temps. [0037] La plage de temps calculée par le détecteur DET_i est destinée à être utilisée par le détecteur DET_i pour envoyer une donnée numérique de collecte DNC_i au concentrateur CON. [0038] De son côté, le concentrateur COM est configuré pour activer ses moyens de commu- nication COM pendant la plage de temps qu'il a lui-même calculée pour recevoir la donnée numérique de collecte DNC_i émise par le détecteur DET_i. 7 [0039] Par conséquent, la plage de temps calculée par le détecteur DET i doit être comprise dans la plage de temps calculée par le concentrateur CON. Dans le mode de réalisation décrit ici, ces plages de temps sont identiques. [0040] Dans le mode de réalisation décrit ici, au cours de l'étape E40, le détecteur DET d'identifiant ID i, d'une part, et le concentratcur CON d'autre part, calculent les instants de départ, exprimés en secondes à partir de OH, des plages d'émission du détecteur DET i en utilisant la formule suivante : TxPlage(n) = (86 400 / Nb Trans)* (n + (ID / NMaxnet)), dans laquelle : - NMaxDet est le nombre M maximum de détecteurs possibles dans le système ; - NB Trans est le nombre de transmissions souhaitées par jour pour le détecteur Det i ; - n est le numéro de transmission, compris entre 0 et NB Trans - 1 ; - ID _i est l'identifiant unique du détecteur DET i, compris entre 0 et M-1 ; [0041] Par conséquent, en supposant que : - NMaxDet (nombre maximum de détecteurs possibles dans le système) = 4 ; et que - Nb Trans (nombre de transmissions souhaitées par jour par détecteur) = 3, le tableau ci-après résume les instants de début d'émission de chacun des détecteurs DET 0 à DET 3 d'identifiant ID _i de 0 à 3 ; [0042] [Tableaux[tableaux 1]] Détecteur Id_i Plage TxPlage(n) = (86 400/ 3)* (n + (ID_i / 4)) Id _0 0 n=0 Os = 0 H Id_O 0 n=1 28800s = 8 H Id _0 0 n=2 57600s= 16H Id _1 1 n=0 7200s =2 H Id _1 1 n=1 36000s =10 H Id _i 1 n=2 64800s= 18H Id _2 2 n=0 14400s = 4 H Id _2 2 n=1 43200s= 12H Id_2 2 n=2 72000s = 20 H Id_3 3 n=0 21600s = 6 H Id _3 3 n=1 50400s = 14 H Id _3 3 n=2 79200s = 22 1-1 [0043] Les plages ont au moins une durcc de plusieurs secondes. Dans le mode de réa- 8 lisation décrit ici, les plages ont toutes la même durée, par exemple 10 s. [0044] A titre d'exemple, le détecteur DET 2 détermine qu'il peut émettre des données nu- mériques de collecte DNC dans les plages [4H00-4H05], [12H00-12H05], [20H00-20H05]. [0045] De façon similaire, le concentrateur CON détermine qu'il doit : - activer ses moyens de communication dans la plage [0H00-0H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC 0 émise par le détecteur DET 0 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [2H00-2H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC 1 émise par le détecteur DET 1 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [4H00-4H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC 2 émise par le détecteur DET 2 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [6H00-6H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC_3 émise par le détecteur DET_3 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [81100-81105] pour recevoir une données numérique de collecte DNC 0 émise par le détecteur DET 0 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [10H00-10H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC 1 émise par le détecteur DET 1 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [12H00-12H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC 2 émise par le détecteur DET 2 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [14H00-14H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC_3 émise par le détecteur DET_3 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [16H00-16H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC_O émise par le détecteur DET_O ; - activer ses moyens de communication dans la plage [18H00-18H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC_1 émise par le détecteur DET_1 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [20H00-20H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC_2 émise par le détecteur DET_2 ; - activer ses moyens de communication dans la plage [22H00-22H05] pour recevoir une données numérique de collecte DNC_3 émise par le détecteur DET_3 ; et - désactiver ses moyens de communication COM en dehors de ces plages de temps. [0046] Dans un mode de réalisation de l'invention, le nombre maximum NMaxDet de dé- tecteurs possibles dans le système est 150. Ce nombre permet avantageusement au concentrateur d'écouter un nombre important de détecteurs tout en gardant une consommation relativement réduite. [0047] Au cours d'une étape E50 (respectivement F50), le détecteur DET_i (respectivement le concentrateur CON) attend le début de la prochaine plage qu'il a calculée à l'étape E40. [0048] Au cours d'une étape E60 (respectivement F60), juste avant le début de la plage, le 9 détecteur DET i (respectivement le concentrateur CON) active ses moyens de communications COM. [0049] Le détecteur DET i obtient une donnée numérique de collecte DNC i à partir des in- formations mesurées par le capteur dans son environnement et envoie cette donnée DNC i au concentrateur au cours d'une étape E70. Le concentrateur CON reçoit cette donnée DNC i au cours d'une étape F70. [0050] Dans le mode de réalisation décrit ici, le concentrateur répond à cc message en envoyant (étape F80) un message de synchronisation au détecteur DET i pour que celui-ci puisse resynchroniser (ou corriger la dérive temporelle) ses moyens de communication avec ceux du concentrateur CON (étape E80). En pratique, les horloges des détecteurs DET i ont une dérive faible entre 2 plages de synchronisation. [0051] Le détecteur DET i désactive ses moyens de communication COM (étape E90) et attend la prochaine plage par retour à l'étape E50. [0052] Au cours d'une étape F90, le concentrateur CON active son module de commu- nication COM NET et envoie la donnée numérique collectée DNC i reçue du détecteur DET i à l'équipement distant EQD. [0053] Au cours d'une étape F100, le concentrateur CON désactive ses moyens de commu- nication COM et COM NET et attend la prochaine plage par retour à l'étape F50. 10