Brevet FR3090933A1 — publié le 20200626

Description Titre de l'invention : PROCEDE POUR REDUIRE LA CONSOMMATION WENERGIE AINSI QUE LA FREQUENCE DE MESURE ET DE TRANSMISSION D'UN CAPTEUR CONNECTE [0001] La présente invention concerne un procédé pour réduire la fréquence des mesures issues de capteurs connectés tel que par exemple des mesures de température, d'humidité, de pression, de concentration de gaz ou de niveau. Ces capteurs sont connectés à une plateforme WEB grâce à une liaison radio. [0002] Ces mesures issues de capteurs sont utilisées par des industriels ou (les collectivités pour améliorer la performance de processus industriels, logistique, énergétique, superviser une infrastructure ou simplement pour surveiller l'état d'un écosystème écosystèmes [0003] Un échantillonnage suffisant des mesures issues des capteurs est essentiel pour atteindre les objectifs de performances pré-cités. [0004] L'invention peut être utilisée pour optimiser la logistique d'approvisionnement de matière en surveillant à distance le niveau de ces matières dans des cuves de stockage. L'invention peut être utilisée pour surveiller des niveaux d'humidité dans le sol pour déclencher des actions d'irrigation dans le domaine agricole. L'invention peut être utilisée pour surveiller des concentrations de CO2 dans les bâtiments pour déclencher des actions de ventilation. L'ensemble de ces domaines d'application nécessite un échantillonnage suffisant des mesures des capteurs connectés pour avoir une observation pertinente pour l'aide à la décision . L'autonomie des capteurs connectés est également clé pour réduire au maximum les interventions sur sites qui impactent le tout d'exploitation des flottes de capteurs. Il est donc nécessaire de trouver un compromis entre fréquence d'échantillonnage et économie d'énergie. [0005] Il est important de noter que dans le contexte particulier de l'internet des objets connectés la fréquence de mesure impacte la consommation énergétique de l'objet constitué du capteur et de son module de communication mais impactc aussi la consommation énergétique de la plateforme cloud qui collecte les données. Technique antérieure [0006] Dans l'état de l'art on trouve essentiellement des méthodes qui font l'hypothèse que la collecte des échantillons de mesures et leur traitement consomment peu d'Energie comparé à la transmission radio de ces mêmes mesures. Ces méthodes cherchent donc à économiser de l'Energie en ne transmettant que les échantillons de mesures utiles. [0007] La méthode Send-on-Delta sampling est certainement la plus utilisée dans le contexte 2 des réseaux sans fils. Dans l'approche originale P. Ellis, « Extension of phase plane analysis to quantized systems, » IRE Transactions on Automatic Control, vol. 4, no. 2, pp. 43-54, 1959., les auteurs proposent de ne transmettre un échantillon que si il a subi un incrément suffisant par rapport à l'échantillon précèdent. De nombreuses déclinaisons de cette méthode existent dans les publications telles que N. Persson and F. Gustafsson, "Event based sampling with application w vibration analysis in pneumatic tires," in 2001 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing. Proceedings (Cat. No.01C1137221), vol. 6, pp. 3885[3888 vol.6, 2001. Et N. Persson and F. Gustafsson, "Event based sampling with application to vibration analysis in pneumatic tires," in Acoustics, Speech, and Signal Processing, 2001. Proceedings.(ICASSral ). 2001 IEEE International Conference on, vol. 6, pp. 3885-3888, IEEE 2001 [0008] Dans la publication M. Miskowicz, "Sampling of signals in energy domaitz," in Emerging Technologies and Factory Automation, 2005. ETFA 2005. 10th IEEE Conférence on, vol. I, pp. 4frp, IEEE, 2005., les auteurs définissent la méthode « liztegral sampling » qui cherche à réduire l'intégrale de l'erreur d'échantillonnage. [0009] Dans la publication Y. S. Suh, "Send-on-delta .sensordata transmission with a linear predicwr," Setzsors, vol. 7, no. 4, pp. 537-547, 2007., les auteurs définissent la méthode « Predictor-hased sampling » qui utilise un modèle pour prédire la mesure à venir en se basant sur les mesures précédentes. La mesure est alors envoyée s'il est significativement différente de la mesure prédite. [0010] Enfin dans la publication T. Shu, M. Xia, J. Chen, and C. de Silva, "An energy efficient adaptive sampling algorithm in a sensor network.for automated water quality monitoring," Sensors, vol. 17, no. 11, p. 2551, 2017., les auteurs définissent la méthode « Sigmoid based sampling » pour estimer le changement de fréquence d'échantillonnage basé sur la variance du signal fenêtré. [0011] Cependant l'efficacité de ces techniques est limitée car (i) elles sont sensibles aux pa- ramètres de configuration (ii) elles sont consommatrices en ressources de calcul. [0012] Définitions [0013] Série ou fenêtre temporelle : séquence finie de données scalaires indexées par le temps. [0014] Ecart à la moyenne d'un échantillon X; : 07(x, ) = 1 v [0015] Valeur absolue de la première dérivée : A ei(P ) 101(P ) - (P ) = 1,2, 3, ...,n Résumé de l'invention [0016] La présente invention vise à pallier ces inconvénients, et propose un procédé d'adaptation de la fréquence d'échantillonnage qui est fonction de la dynamique des 3 observations de la données physique mesurée. [0017] La présente invention exploite une fonction sigmoïde étendue qui autorise une réponse de l'adaptation de fréquence d'échantillonnage rapide [0018] La présente invention exploite une fonction sigmoïde étendue qui permet de borner l'amplitude de variation de la fréquence d'échantillonnage grâce à l'introduction d'un paramètre n. Cet avantage est essentiel pour pouvoir garantir la conformité avec des exigences règlementaires des réseaux d'accès radio. [0019] La présente invention n'utilise pas seulement les derniers échantillons de mesure pour évaluer la fréquence d'échantillonnage mais la tendance de l'historique de donnée ce qui permet au dispositif d'être robuste vis-à-vis des erreurs de mesures. [0020] La présente invention introduit une métrique D dont le rôle est de fournir une es- timation de l'amplitude du changement de la dernière mesure collectée au regard de l'historique des N mesures précédentes de la fenêtre glissante. Cette métrique D est injectée dans la fonction sigmoïde pour la mise à jour de la nouvelle fréquence d'échantillonnage. [0021] La métrique D est caractérisée par le fait que plutôt que d'évaluer la différence entre la mesure courante et les mesures historiques, la métrique évalue la différence entre la première dérivée de la mesure courante et une estimation de la moyenne des premières dérivées de l'historique. Cette métrique permet au dispositif d'être plus réactif à un changement soudain. [0022] La métrique D pouvant être de valeur positive ou négative son injection dans la fonction sigmoïde permet de directement accroitre ou décroitre la fréquence d'échantillonnage. [0023] L'invention est un procédé pour adapter la fréquence d'échantillonnage des mesures physiques issues de capteurs, le procédé est caractérisé par les étapes suivantes : [0024] Etape 1- on initialise une fenêtre temporelle W contenant les N dernières mesures capteur échantillonnées Xi. Selon un mode de réalisation N peut être fixé à 50. tif'= _ Xi-N+1, , Xi! [0025] Etapc 2- on calcule de degré de changeaient de la fréquence d'échantillonnage D D - (XI) n 111^1i 1.1 - - 3' in 100261 Etape 3- On calcule la nouvelle fréquence d'échantillonnage f Cette nouvelle n é? w fréquence d'échantillonnage permet alors de déterminer l'intervalle de temps 1 avant le prochain échantillon de mesure T ne w = f n e 1 - n n + fn ê' w 1 e "-D 7\TI; =Ï ei(XJ) Présentation des figures [0027] Les avantages et caractéristiques de l'invention seront mieux appréciés grâce à la description qui suit. La description s'appuie sur les figures annexées qui représentent : [0028] [fig.11 une représentation schématique des différents éléments d'un système mettant en oeuvre un procédé selon l'invention [0029] [fig.21 un organigramme des étapes du procédé selon un mode de réalisation de l'invention [0030] Description détaillée d'un mode de réalisation [0031] Nous présentons ici à titre d'exemple un mode de réalisation particulier pour la sur- veillance de niveau dans les réseaux d'eaux usées afin de détecter d'éventuels colmatage ou autres disfonctionnements. Pour ce cas d'usage il est nécessaire d'acquérir un maximum de mesures quand le niveau varie puis de réduire cette fréquence dans les périodes stationnaires afin d'économiser l'énergie du capteur de niveau connecté. Cc mode de réalisation n'est nullement limitatif [0032] Comme on le voit sur la figure 1, le système met en oeuvre en premier lieu un capteur de niveau 10. [0033] Lc système met en oeuvre en second lieu un lien filaire 11 entre le capteur de niveau et un calculateur embarqué 14 via le module d'acquisition 12. Le lien filaire 11 peut prendre la forme d'une communication analogique ou bien de tout autre protocole numérique. Dans un mode de réalisation particulier nous considérons par exemple un lien de type UART. [0034] Lc calculateur embarqué exécute l'algorithme de la présente invention afin de mettre à jour et de piloter la fréquence d'échantillonnage du module d'acquisition 12 via le lien 13. Dans un mode de réalisation particulier la mise àjour de la fréquence d'échantillonnage se fera à chaque nouvel échantillon rentrant. [0035] Dans un mode de réalisation particulier, après chaque mise àjour de la fréquence d'échantillonnage le calculateur déclenchera un « timer » avec une durée 1 qui permettra de définir l'instant de démarrage de la nouvelle ac- T ne w f new quisition de mesure. [0036] Dans un mode de réalisation particulier après chaque nouvelle acquisition le cal- culateur déclenchera la transmission de ce nouvel échantillon via le pilotage du mode de transmission sans fil 15 [0037] Dans mode de réalisation particulier, le système met en oeuvre en second lieu un lien sans fil 16 entre le calculateur embarqué 12 et une plateforme de calcul déportée 17 et sa base de données 18. Ce lien sans fil peut être par exemple une liaison cellulaire ou W1F1. Les mesures brutes de niveau issues du capteur transitent sur le lien 16 entre le capteur et la plateforme déportée qui collecte les données pour les stocker et leur appliquer un éventuel traitement afin de les raffiner. [0038] On notera que la présente invention en ajustant au minimum la fréquence d'échantillonnage, permet non seulement d'économiser rEnergic du capteur et du calculateur embarqué niais aussi l'Energic utilisée par la plateforme cloud pour le stockage et le raffinement des données. [0039] La figure 2 représente un organigramme des étapes du procédé selon l'invention dans un mode de réalisation nullement limitatif. Comme on le voit sur cette figure le procédé comporte plusieurs étapes : [0040] Dans une première étape 20 le programme informatique fait l'acquisition initiale d'échantillons de mesures issues du capteur sous la forme d'une fenêtre de séries temporelles qui sont stockées en mémoire sous la forme de vecteurs. Dans un mode de réalisation particulier non limitatif la taille de la fenêtre est fixée à 50 échantillons de mesures et la période d'échantillonnage initiale pour l'acquisition de cette fenêtre est fixée à 10 minutes entre chaque mesure. [0041] Dans une seconde étape 21 le calculateur embarqué 12 calcule le degré de changement de la fréquence d'échantillonnage D D - y n + 1 y .) = - A i 2 ki\-r- - - 69-(x--)) 1 y Ari=i-Naei(X.1) [0042] Dans une troisième étape 22 le calculateur met en oeuvre, le calcul de la nouvelle fréquence d'échantillonnage f à partir de D préalablement calculé. Le paramètre nÉ, w n intervenant dans la formule du calcul de f détermine le facteur de réduction ne w maximale de la fréquence d'échantillonnage. Dans un mode de réalisation particulier n est égal à 5. Cette nouvelle fréquence d'échantillonnage permet alors de déterminer l'intervalle de temps T 1 avant le prochain échantillon de mesure newf new fneiir n 1 - n - 1-He'D [0043] Dans une quatrième étape et dans un mode de réalisation particulier, on initialise un compteur de temps avec la durée 1. ri e w afin de pouvoir déclencher la prochaine acquisition à l'échéance du compteur. A la suite de cette nouvelle acquisition d'échantillon on reprend l'étape 2. 6 [Revendication 1] [Revendication 2] [Revendication 3] [Revendication 4] [Revendication 5] [Revendication 6]