PUECH, Aymeric (135 BIS, bd du Montparnasse, Paris, F-75006, FR)
VENET, Antoine (8 rue de Florence, Paris, F-75008, FR)
GEPNER, Cedric (43 rue du Turbigo, Paris, F-75003, FR)
PUECH, Aymeric (135 BIS, bd du Montparnasse, Paris, F-75006, FR)
VENET, Antoine (8 rue de Florence, Paris, F-75008, FR)
| REVENDICATIONS Procédé de communication dans un réseau de radiocommunications (12) comportant un nœud donné (1 , 2, 3, 4) et l'ensemble des nœuds (1 , 2, 3, 4), dits nœuds voisins, se trouvant à portée radio du nœud donné, lesdits nœuds étant dotés de moyens d'émission et réception radiofréquence de messages sur un canal radio partagé (5), ledit procédé comprenant l'étape selon laquelle, lors d'un cycle de communication (C) comportant des intervalles de temps disjoints (T) tels qu'à chaque nœud est affecté un desdits intervalles de temps : - on impose que les messages à émettre lors dudit cycle par les nœuds voisins à destination dudit nœud donné soient émis par lesdits nœuds voisins pendant l'intervalle de temps affecté au nœud donné. Procédé suivant la revendication 1 , selon lequel on impose que le nœud donné (1 , 2) soit en écoute active du canal radio partagé (5) pendant moins une partie de l'intervalle de temps (T) affecté audit nœud donné. Procédé suivant la revendication 1 ou 2, selon lequel on impose que les messages à émettre lors dudit cycle (C) par le nœud donné à destination d'un nœud voisin soient émis pendant l'intervalle de temps (T) affecté audit nœud voisin. Procédé suivant la revendication 3, selon lequel on impose que les messages à émettre lors dudit cycle (C) par les autres nœuds à destination dudit nœud voisin soient également émis pendant l'intervalle de temps (T) affecté audit nœud voisin. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel le cycle de communication (C) comprend une première période (T2) comportant lesdits intervalles de temps et une deuxième période (T1 ), au cours de laquelle les nœuds restent en veille, les deux périodes étant consécutives. 6. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel, lors d'un intervalle de temps (T) affecté à un nœud voisin à destination duquel le nœud donné n'a pas de message à émettre, ledit nœud donné est en veille. 7. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel une hiérarchie est définie entre les nœuds (1 , 2, 3, 4) et selon lequel le nœud donné sélectionne parmi ses nœuds voisins le nœud au niveau hiérarchique maximum, supérieur au niveau du nœud donné, et le nœud donné synchronise son horloge interne sur l'horloge interne du nœud sélectionné. 8. Procédé selon la revendication précédente, selon lequel le nœud donné se synchronise à l'aide d'un signal émis par le nœud sélectionné lors de l'intervalle de temps (T) affecté audit nœud sélectionné. 9. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel le nœud donné transmet lors du cycle (C) un signal indiquant l'affectation des intervalles de temps (T) aux nœuds voisins et au nœud donné. 10. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel l'intervalle de temps (T) affecté au nœud donné est choisi distinct des intervalles de temps affectés aux nœuds voisins et est choisi en outre distinct des intervalles de temps affectés aux nœuds à portée radio desdits nœuds voisins. 1 1 . Procédé selon la revendication précédente, selon lequel l'intervalle de temps (T) affecté au nœud donné est choisi en outre : - en fonction de distances relatives entre des nœuds et un nœud correspondant à la destination finale du message, les distances étant appréciées selon le nombre minimum de nœuds intermédiaires sur le chemin du message radiofréquence entre le nœud donné et le nœud correspondant à la destination finale du message ; et/ou - en fonction de distances relatives entre des nœuds et un nœud correspondant à la destination finale de la majorité des messages, la distance entre deux nœuds étant mesurée comme la qualité du lien radiofréquence entre lesdits nœuds. 12. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel le nœud donné transmet lors du cycle (C) un signal indiquant au cours de quels cycles futurs il ne restera pas en veille pendant l'intervalle de temps (T) qui lui est affecté. 13. Procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes, selon lequel les nœuds (1 ) sont en outre dotés de capteurs adaptés pour effectuer des mesures de variations de grandeurs physiques et un nœud étant adapté pour effectuer un traitement en fonction des mesures effectuées par le capteur associé au nœud, selon lequel les mesures effectuées par au moins un capteur d'un nœud voisin du nœud donné sont émises à destination du nœud donné, et selon lequel le nœud donné effectue un traitement en fonction au moins d'une mesure effectuée par le capteur associé au nœud donné et de ladite mesure émise par le nœud voisin. 14. Nœud émetteur/récepteur (1 , 2, 3, 4) de messages radiofréquences pour un réseau de radiocommunications, ledit nœud étant adapté pour mettre en œuvre les étapes, qui incombent au nœud donné, d'un procédé selon l'une quelconque des revendications précédentes. 15. Programme d'ordinateur à installer dans un nœud (1 , 2, 3, 4) d'un réseau de radiocommunications (12) comportant des nœuds dotés chacun de moyens d'émission et réception radiofréquence de messages, ledit programme comprenant des instructions pour mettre en œuvre les étapes qui incombent au nœud donné, d'un procédé selon l'une quelconque des revendications 1 à 13 lors d'une exécution du programme par des moyens de traitement dudit nœud. |
La présente invention concerne les techniques de communication utilisées dans les réseaux de télécommunications, en particulier, mais non exclusivement, dans les réseaux ad hoc.
Les réseaux ad hoc sont des réseaux de communication dépourvus d'infrastructure fixe, dans lesquels un certain nombre de stations sans fil sont équipées de moyens d'émission et/ou réception radio et de protocoles adéquats pour former les nœuds du réseau ad hoc. Ces stations composant le réseau ad hoc peuvent être sous la forme d'ordinateurs fixes ou portables, d'ordinateurs de poche, de téléphones mobiles, de véhicules, d'appareils électroménagers, etc.
Les moyens d'émission-réception peuvent aussi être associés à des objets simples tels que des capteurs ou des actionneurs. Un réseau ad hoc de capteurs permet ainsi d'effectuer de la collecte d'informations par exemple en vue de surveiller ou de contrôler des installations.
L'invention s'applique par exemple à un système distribué et automatisé, par exemple de détection d'objets ou de personnes en vue d'une activation d'équipements à distance. Ce système est à faible latence temporelle, constitué d'un réseau dense et étendu de capteurs et éventuellement d'activeurs communicant sans fil et autonomes en énergie.
Par exemple, le système est adapté pour obtenir en quasi-temps réel un panorama des places de stationnement disponibles dans un parc de stationnement, et la mise à jour consécutive d'afficheurs de comptage des places disponibles, disposés en entrée des niveaux et des allées de circulation dudit parc de stationnement. Ceci permet en outre de disposer de statistiques détaillées de fréquentation du parc, de guider, par le biais des afficheurs, des véhicules entrant dans le parc jusqu'à leur place de stationnement, et ainsi d'accélérer la recherche de places disponibles, donc le taux de rotation des véhicules et le taux moyen d'occupation globale du parc ; de repérer des voitures dépassant une durée limite autorisée de stationnement ; etc. La solution communément adoptée consiste à déployer des modules de détection munis de capteurs en même temps qu'un câblage afin, d'une part, d'alimenter les capteurs (câblage « électrique ») ; et d'autre part, de récupérer l'information d'occupation fournie par les capteurs (câblage « informatique »). Dans le cadre d'application des parcs de stationnement décrit ci-dessus, une solution bien connue de l'état de la technique consiste à disposer des détecteurs de véhicules (en général, des capteurs ultrasons, dits télémètres, ou des capteurs magnétiques) au niveau de chaque place de stationnement (ou toutes les deux places si le capteur permet une détection simultanée, dite biplace). Cependant l'étendue des travaux à réaliser pour l'installation et le câblage des capteurs (fermeture partielle du parking, zone après zone, pendant plusieurs semaines) rend le déploiement de telles solutions, dites « filaires », lent et coûteux.
Une autre solution connue, permettant de s'affranchir des câblages électrique et informatique, est d'utiliser des réseaux de nœuds sans fils constitués d'éléments autonomes qui, une fois disséminés dans un environnement, sont capables de prendre des mesures, de les véhiculer de nœud en nœud sur de grandes étendues et, suivant le contexte, de contrôler des équipements auxquels ils peuvent avoir été connectés.
Les contraintes portant sur ces réseaux sont notamment relatives à :
- la consommation : typiquement de l'ordre de la centaine de microwatts (ordre de grandeur à un facteur près, de division ou de multiplication, de dix), permettant au nœud d'atteindre, une fois alimenté sur batteries, une autonomie énergétique de plusieurs années ;
- la compacité : d'un volume non significatif par rapport à celui de la batterie ;
- l'aptitude à communiquer : capables de s'auto-configurer pour constituer un réseau communicant sans fil, ayant les caractéristiques suivantes :
■ latence : durée moyenne s'écoulant entre la réception d'une information utile (exemple : détection d'un véhicule) et son exploitation (exemple : mise à jour d'un afficheur de comptage de places) - la latence doit être précisément définie pour chaque cadre d'application ;
■ bande passante : quantité d'information transmise de nœud à nœud, par unité de temps ; ■ fiabilité : capacité à transmettre l'information sans pertes ;
■ robustesse : capacité à reconfigurer un réseau dans le cas où certains nœuds deviendraient défaillants ;
■ tropisme : capacité à véhiculer l'information dans des directions définies (tropisme ascendant, descendant, bidirectionnel, iso-tropisme) ;
■ convergence : capacité à optimiser les caractéristiques du réseau, en particulier la latence, en privilégiant une direction de propagation.
Les contraintes peuvent être contradictoires. Par exemple dans les implémentations à très faible consommation d'énergie, les nœuds ne demeurent en éveil que pendant une très faible quote-part du temps, désignée comme le « cycle de service » et typiquement de l'ordre de quelques pourcents (par exemple, un cycle de service de deux pourcents signifie que le nœud est éveillé en moyenne vingt millisecondes à chaque seconde). Le reste du temps, le nœud est en veille et consomme un courant négligeable. Les nœuds ne pouvant communiquer que pendant leur éveil, la mise en place d'un cycle de service est source de latence. La réduction de la consommation impose de réduire les cycles de service, donc de les espacer, ce qui augmente la latence. Inversement, si les nœuds sont plus souvent en éveil, l'information sera communiquée plus rapidement (la latence sera réduite) au prix de davantage de consommation.
Les performances attendues d'un système tel que décrit ci-dessus, par exemple à destination des parcs de stationnement, sont notamment : une durée de vie des nœuds, sur batterie, de l'ordre de cinq ans ; une latence inférieure à cinq secondes ; un encombrement des nœuds de l'ordre de cinq centimètres (longueur), par cinq centimètres (largeur), par un centimètre (hauteur). L'état connu de la technique, pour ces données d'encombrement et de latence, et avec une batterie de l'ordre de cinq wattheures, atteint une autonomie de l'ordre d'une année seulement.
Les nœuds comprennent généralement un microcontrôleur en charge de piloter les différents périphériques et de séquencer les opérations logiques, un transmetteur et/ou récepteur radiofréquence, un module de détection (capteur ou combinaison d'un ou plusieurs capteurs et de circuits de traitement du signal). On désigne les mécanismes d'accès du microcontrôleur au transmetteur-récepteur radiofréquence et, par extension, l'organisation des échanges radiofréquences entre nœuds à portée radio les uns des autres, sous le nom de couche ou mécanisme « MAC » (Médium Access Control), tandis que les problématiques d'acheminement de l'information, de nœud à nœud, depuis un émetteur jusqu'à un destinataire, constituent le problème du « routage ».
Le mécanisme MAC détermine à quel instant précis un nœud a la possibilité de transmettre un message radiofréquence à un nœud se situant à portée radio (i.e. à quel instant précis le nœud destinataire sera en écoute, et l'environnement d'onde non perturbé de façon à permettre la propagation du message), tandis que le routage détermine à quel nœud suivant (i.e. dans quelle direction du réseau de nœuds) le message radiofréquence doit être communiqué de façon à emprunter le chemin optimal vers le destinataire final du message. Au sens large, ces deux problématiques sont regroupées dans la notion de « protocole du réseau de capteurs sans fil », ou protocole WSN (Wireless Sensor Networks).
Des solutions de l'état de la technique, telles la spécification ZigBee, d'origine qui repose sur la norme 802.15.4 mise en place par ΙΊΕΕΕ, prévoit des réseaux en arbre dans lesquels le routage de l'information ne peut être effectué que par des nœuds alimentés. Les ajustements de cette norme pour des applications avec réseaux en treillis, à très faible consommation d'énergie, sont peu adaptés car elles font le sacrifice de la latence.
Le mécanisme MAC peut être synchronisé temporellement selon des cycles : l'état de la technique parle alors de protocoles de type TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol). Les mécanismes MAC employés dans ces protocoles WSN à très faible consommation, de façon à respecter des cycles de service très faibles, organisent un réveil simultané de tous les nœuds qui peuvent alors échanger des messages tout au long de leur période d'éveil. A l'issue des échanges, les nœuds retournent dans un mode de veille permettant d'économiser l'énergie. Une des difficultés de conception des mécanismes MAC réside dans les risques de collision de plusieurs messages émis par voie hertzienne sur un même canal radio au même instant : ce risque impose aux nœuds d'émettre à tour de rôle. Le tour de rôle est déterminé sur la base du principe « premier arrivé, premier servi », les nœuds écoutant l'environnement préalablement à toute transmission, et émettant leur message uniquement si l'environnement n'est pas perturbé par d'autres échanges de messages. Le cas échéant, ils attendent pendant un temps aléatoire avant de retenter une émission. Alternativement le tour de rôle peut être fixé par un nœud maître, qui alloue des temps de parole fixes à chacun de ses nœuds voisins. Dans tous les cas, de nombreux nœuds sont éveillés alors même que l'environnement d'onde est perturbé par des nœuds voisins échangeant des messages, et ce phénomène est générateur de « sur-écoute », c'est-à-dire écoute active d'un canal radio par un nœud récepteur, consommatrice d'énergie, mais infructueuse, c'est-à-dire sans réception d'un signal destiné à ce nœud récepteur durant l'écoute.
Certaines tentatives d'adaptation des protocoles WSN ont été réalisées pour le contexte spécifique du problème industriel. Le « système automatisé permettant la gestion optimisée et en temps réel d'un parking » (brevet FR 2 918 491 déposé le 3 juillet 2007) décrit un système basé sur un réseau de nœuds autonomes améliorant partiellement les problèmes de latence et d'énergie, en organisant des communications de nœud en nœud le long d'un « circuit » en boucle autour d'une console d'administration : la latence peut alors être définie comme la durée nécessaire à un message pour être transmis de nœud en nœud tout au long du circuit (un « cycle ») ; en optimisant les moments d'éveil des nœuds, par synchronisation, la latence peut être réduite dans des proportions admissibles. En revanche ce procédé technique ne permet pas d'optimiser la consommation énergétique, dans la mesure où chaque nœud est sollicité, à chaque cycle, pour recevoir le message circulant et le retransmettre au nœud suivant, et ce y compris dans les cas où aucune information utile n'a besoin d'être véhiculée. A nouveau, cette lacune est décrite dans la littérature scientifique comme la « sur-écoute » et la « sur- émission ». Par "sur-émission", on entend désigner une émission sur le canal radio par un nœud émetteur, consommatrice d'énergie, mais infructueuse, aucun nœud auquel elle était destinée n'ayant écouté l'émission. De fait, les implémentations matérielles connues dudit système automatisé sont munies de batteries volumineuses et ne respectent pas les contraintes d'encombrement imposées par le problème industriel.
D'autre part, l'état de la technique concernant les modules de détection mis en œuvre pour résoudre le problème industriel s'appuie sur des mesures locales, ce qui peut conduire à des erreurs de prédiction concernant l'absence ou la présence des objets ou personnes. Les erreurs de prédiction induites sont de deux types : passage dans l'état stable libre alors que l'objet ou la personne ne s'est pas éloigné (dans ce cas, on désigne la prédiction comme un faux négatif) ; symétriquement, passage dans l'état stable occupé alors qu'aucun objet, ni personne ne s'est approché (dans ce cas, on parle de faux positif).
Les erreurs sont liées dans la très grande majorité des cas : à des événements externes perturbateurs des grandeurs physiques mesurées (ambiguïté 1 ) ; ou à des événements externes perturbateurs du fonctionnement du module de détection (ambiguïté 2) ; ou au faible niveau des modifications de grandeurs physiques induites par l'objet ou la personne à détecter, eu égard aux seuils de détection fixés (ambiguïté 3) ; ou au manque de localité des modifications de grandeurs physiques induites par l'objet ou la personne à détecter, induisant des changements d'état sur plusieurs nœuds à la fois (ambiguïté 4).
Dans cette typologie des ambiguïtés conduisant potentiellement à des erreurs de détection, l'état de la technique fournit des procédés afin de réduire l'ambiguïté 2 : dans certains cadres d'application, il est possible de prendre en compte des grandeurs physiques responsables des déviations du module de détection. La mesure de ces grandeurs physiques permet de corriger les valeurs retournées par le module de détection avant leur traitement par le système expert. Ce procédé n'est applicable que dans les cas où les déviations sont prédictibles. Dans le cadre d'application servant d'illustration, les capteurs AMR sont fortement sensibles aux variations thermiques ; l'impact thermique sur la tension amplifiée mesurée aux bornes du pont de Wheatstone est néanmoins quantifiable, typiquement de l'ordre d'un pourcent par degré Celsius ; au demeurant les capteurs AMR sont très stables et ne sont pas influencés par les autres grandeurs physiques susceptibles de varier dans le contexte de déploiement (vent, visibilité, son, vibrations, humidité, pression mécanique). Par exemple, si les nœuds sont munis de capteurs de température, typiquement intégrés au microcontrôleur, la mesure des variations de température autorise le recalibrage des données d'entrée, réduisant in fine l'ambiguïté 2. En revanche, l'état connu de la technique ne fournit pas de procédé fiable et généralisable de réduire les ambiguïtés de type 1 , 3 et 4.
L'invention fournit également un tel procédé, en s'appuyant sur le fonctionnement du module de détection au sein d'un réseau de capteurs sans fils.
Suivant un premier aspect, l'invention propose un procédé de communication dans un réseau de radiocommunications comportant un nœud donné et l'ensemble des nœuds, dits nœuds voisins, se trouvant à portée radio du nœud donné, lesdits nœuds étant dotés de moyens d'émission et réception radiofréquence de messages sur un canal radio partagé.
Le procédé comprend l'étape selon laquelle, lors d'un cycle de communication comportant des intervalles de temps disjoints tels qu'à chaque nœud est affecté un desdits intervalles de temps :
on impose que les messages à émettre lors dudit cycle par les nœuds voisins à destination dudit nœud donné soient émis par lesdits nœuds voisins pendant l'intervalle de temps affecté au nœud donné.
De telles dispositions ont pour effet de réduire la surécoute dans le réseau, et de réduire en conséquence la consommation d'énergie des nœuds, ce qui a pour effet de prolonger leur durée de vie dans des réseaux denses et étendus de nœuds.
Dans un mode de réalisation, on impose que le nœud donné soit en écoute active du canal radio partagé pendant au moins une partie de l'intervalle de temps affecté audit nœud donné.
Dans un mode de réalisation, on impose que les messages à émettre lors dudit cycle par le nœud donné à destination d'un nœud voisin soient émis pendant l'intervalle de temps affecté audit nœud voisin. Dans un mode de réalisation, on impose que les messages à émettre lors dudit cycle par les autres nœuds à destination dudit nœud voisin soient également émis pendant l'intervalle de temps affecté audit nœud voisin.
Ces dispositions ont également pour effet de réduire la surécoute dans le réseau, et de réduire en conséquence la consommation d'énergie des nœuds, ce qui a pour effet de prolonger leur durée de vie dans des réseaux denses et étendus de nœuds.
Dans un mode de réalisation, le cycle de communication comprend une première période comportant lesdits intervalles de temps, et une deuxième période au cours de laquelle les nœuds restent en veille, les deux périodes étant consécutives. Cette caractéristique a pour effet de réduire la consommation d'énergie des nœuds.
Dans un mode de réalisation, lors d'un intervalle de temps affecté à un nœud voisin à destination duquel le nœud donné n'a pas de message à émettre, ledit nœud donné est en veille. Cette caractéristique a pour effet de réduire la consommation d'énergie des nœuds.
Dans un mode de réalisation, une hiérarchie est définie entre les nœuds et selon lequel le nœud donné sélectionne parmi ses nœuds voisins le nœud au niveau hiérarchique maximum, supérieur au niveau du nœud donné, et le nœud donné synchronise son horloge interne sur l'horloge interne du nœud sélectionné. Ceci permet d'éviter une dérive par groupe de nœud de la synchronisation entre les nœuds.
Dans un mode de réalisation, le nœud donné se synchronise à l'aide d'un signal émis par le nœud sélectionné lors de l'intervalle de temps affecté audit nœud sélectionné.
Dans un mode de réalisation, le nœud donné transmet lors du cycle un signal indiquant l'affectation des intervalles de temps aux nœuds voisins et au nœud donné. Cette disposition permet aux nœuds de connaître l'affectation des intervalles dans leur voisinage radio et l'affectation dans le voisinage de chacun de leur nœud voisin.
Dans un mode de réalisation, l'intervalle de temps affecté au nœud donné est choisi distinct des intervalles de temps affectés aux nœuds voisins et est choisi en outre distinct des intervalles de temps affectés aux nœuds à portée radio desdits nœuds voisins.
Dans un mode de réalisation, l'intervalle de temps affecté au nœud donné est choisi :
- en fonction de distances relatives entre des nœuds et un nœud correspondant à la destination finale du message, les distances étant appréciées selon le nombre minimum de nœuds intermédiaires sur le chemin du message radiofréquence entre le nœud donné et le nœud correspondant à la destination finale du message ; et/ou
- en outre en fonction de distances relatives entre des nœuds et un nœud correspondant à la destination finale de la majorité des messages, la distance entre deux nœuds étant mesurée comme la qualité du lien radiofréquence entre lesdits nœuds.
Dans un mode de réalisation, le nœud donné transmet lors du cycle un signal indiquant au cours de quels cycles futurs il ne restera pas en veille pendant l'intervalle de temps qui lui est affecté. Cette disposition permet de réduire encore la consommation sans pénaliser l'efficacité du réseau.
L'invention propose en outre un procédé qui peut être mis en œuvre seul ou combiné avec le procède de communication décrit ci-dessus. Selon ce procédé, les nœuds sont en outre dotés de capteurs adaptés pour effectuer des mesures de variations de grandeurs physiques et un nœud est adapté pour effectuer un traitement en fonction des mesures effectuées par le capteur associé au nœud.
Selon ce procédé, les mesures effectuées par au moins un capteur d'un nœud voisin du nœud donné sont émises à destination du nœud donné, et le nœud donné effectue un traitement en fonction au moins d'une mesure effectuée par le capteur associé au nœud donné et de ladite mesure émise par le nœud voisin.
Un tel procédé permet d'utiliser les mesures émises par un nœud dans les traitements réalisés par un autre nœud. Cette disposition permet de mutualiser au niveau des nœuds eux-mêmes les informations recueillies par différents nœuds, tout en utilisant les capacités de traitement réparties des nœuds.
Suivant un second aspect, l'invention propose un nœud émetteur/récepteur radiofréquence de messages pour un réseau de radiocommunications, ledit nœud étant adapté pour mettre en œuvre les étapes, qui incombent au nœud donné, d'un procédé suivant le premier aspect de l'invention.
Suivant un troisième aspect, l'invention propose un programme d'ordinateur à installer dans un nœud émetteur/récepteur radiofréquence de messages pour un réseau de radiocommunications comportant des nœuds dotés chacun de moyens d'émission et réception radiofréquence de messages, ledit programme comprenant des instructions pour mettre en œuvre les étapes qui incombent au nœud donné, d'un procédé suivant le premier aspect de l'invention lors d'une exécution du programme par des moyens de traitement dudit nœud.
D'autres caractéristiques et avantages de l'invention apparaîtront encore à la lecture de la description qui va suivre. Celle-ci est purement illustrative et doit être lue en regard des dessins annexés sur lesquels :
- la figure 1 est un système de détection d'un parc de stationnement dans un mode de réalisation de l'invention ;
- la figure 2 représente un nœud du système de détection de la figure
1 ;
- la figure 3 illustre un cycle de communication dans un mode de mise en œuvre de l'invention.
Sur la figure 1 est représenté un système de détection 100 d'un parc de stationnement de voitures dans un mode de réalisation de l'invention.
Le système de détection comporte un ordinateur 10 faisant office de console d'administration, et un réseau de communication sans fil 12 comportant une pluralité de stations émettrices-réceptrices 2 destinées à constituer chacune un nœud du réseau. Les nœuds du réseau sont de types variés parmi lesquels figurent par exemple :
- des nœuds 1 réalisant la détection de véhicule, désignés comme les nœuds capteurs ; - des nœuds 2 munis de voyants lumineux, désignés comme les nœuds balises, permettant, dans le cas illustré, d'indiquer à l'usager automobiliste l'emplacement précis des places disponibles (voyant vert) ou occupées (voyant rouge) dans le parc de stationnement ;
- des nœuds 3 adossés à des équipements (par exemple des afficheurs de comptage de places disponibles), désignés comme des nœuds activeurs ;
- et enfin, un nœud unique 4 relié à la console d'administration 10 du système, et désigné comme la passerelle 4.
Cette distinction entre types est fonctionnelle, car tous les nœuds, de toutes les types, partagent une même architecture matérielle de base représentée en figure 2.
Ainsi chaque nœud comporte un module de traitement 6, un module d'émission/réception 7 qui assure les traitements de couche physique et de couche de liaison (couches 1 et 2 du modèle OSI) en vue d'échanger des signaux avec un nœud voisin par l'intermédiaire d'un canal radio partagé 5. Le module d'émission/réception 7 est relié à une antenne 7'. Des moyens de contrôle 9, par exemple un microcontrôleur à très basse consommation, pilotent les différents modules, et sont notamment adaptés pour commander la mise sous tension et la mise hors tension (veille) du module d'émission/réception 7. Le nœud comporte en outre un quartz oscillant à une fréquence de 32768 hertz par exemple.
En outre, dans le cas d'un nœud capteur 1 , le module de traitement 6 est muni d'un module de détection de personne ou d'objet à très basse consommation, relié et piloté par le microcontrôleur 9, à sortie analogique ou numérique.
L'alimentation des nœuds capteurs est assurée, alternativement, par une batterie ou par un accumulateur rechargé par un panneau solaire placé dans la partie supérieure du boîtier.
Les nœuds balises 2 sont munis de diodes lumineuses reliées au microcontrôleur 9. L'alimentation est assurée alternativement par un accumulateur rechargé par un panneau solaire placé dans la partie supérieure du boîtier, ou par la liaison à une autre source d'énergie externe ; dans ce dernier cas on parle d'alimentation externe (exemple : rainurage de la chaussée permettant le passage d'un câble électrique relié aux nœuds).
Les nœuds activeurs 3 sont munis d'une connectique filaire de type série, communicant par exemple selon les normes RS-232 ou RS-485, et reliée à l'équipement que le nœud pilote. L'alimentation est externe.
La passerelle 4 est identique aux activeurs 3.
Dans un mode de réalisation, le module de détection sélectionné pour les nœuds capteurs 1 est un capteur magnétique de type AMR (capteur magnéto-résistif anisotrope) associé à des circuits d'amplification du signal. Le principe de fonctionnement est le suivant : la présence de matériaux ferromagnétiques dans les véhicules (notamment dans le châssis) modifie les lignes du champ magnétique terrestre. Le capteur AMR consiste en un assemblage de résistances montées en pont de Wheatstone. Une ou plusieurs des résistances du pont sont constituées d'un matériau spécifique, dénommé AMR, dont la résistance varie en fonction de l'intensité du champ magnétique ambiant (composante dans l'axe du matériau). La mesure de la tension amplifiée aux bornes du pont de Wheatstone est une bonne approximation de l'intensité du champ dans la direction de montage du capteur. Cette tension varie en présence d'un véhicule, en raison des modifications du champ magnétique terrestre induites par le véhicule.
La détection des objets ou personnes est réalisée par les nœuds capteurs 1 , selon un cadencement par cycles de mesure très précis.
La durée typique d'un cycle de mesure est de mille-vingt-quatre millisecondes, mais le module de détection n'est activé que le temps de la prise de mesure - dans le cas illustré, environ trois millisecondes. Cette durée peut être allongée dynamiquement dans les situations où l'environnement de déploiement autorise une augmentation de la latence - par exemple, dans le cas d'un parc de stationnement, lorsque ledit parc est loin d'être saturé en véhicules.
A chaque cycle de mesure, le module de détection est alimenté, une mesure est prise, et dans le module de traitement 6 d'un nœud capteur 1 , un algorithme de traitement embarqué, associant un système expert à des procédés de traitement du signal, traite la mesure afin de décider de l'occurrence d'un changement d'état ou non (exemple : arrivée ou départ d'un véhicule).
Le procédé employé par le système expert est par exemple celui d'une machine à états, telle que celles employées dans les AFD (Automates Finis Déterministes) : deux états dits stables, nommés « occupé » et « libre », correspondent respectivement aux détections de présence et d'absence de l'objet ou la personne sur l'emplacement. Deux autres états nommés « libre? » et « occupé? » sont des états d'incertitude, par lesquels le système expert transite entre deux état stables, respectivement entre occupé et libre, et entre libre et occupé.
Des conditions de transition sont ainsi définies, entre les couples d'états suivants : (libre, occupé?), (occupé?, occupé), (occupé, libre?), (libre?, libre). Les transitions vers un état d'incertitude, libre? ou occupé?, sont conditionnées au dépassement d'un seuil par le niveau d'énergie locale du signal, défini comme la distance quadratique à la moyenne de la série des mesures renvoyées par le module de détection. Les transitions vers un état stable sont conditionnées à la stabilisation du signal, lissé par un filtre passe- bas, autour de valeurs compatibles avec l'état stable en question (dans le cas illustré : stabilisation autour de valeurs du champ magnétique mesuré compatibles avec la présence ou l'absence d'un véhicule).
Une fois déterminé l'état stable, libre ou occupé, dans lequel se trouve le système expert, le module de traitement 6 du nœud capteur 1 décide si une information utile doit être transmise à d'autres nœuds - notamment les nœuds balises 2, les nœuds activeurs 3 et/ou la passerelle 4.
Dans le mode de réalisation considéré, l'information utile déterminée par le nœud capteur 1 affecté à une place de stationnement est un changement d'occupation de cette place de stationnement. Ainsi lorsqu'un changement d'occupation est déterminé, cette information doit faire l'objet d'un rapport communiqué :
- au nœud balise 2 placé sur la chaussée, en front de la place de stationnement affecté au nœud capteur 1 ; au(x) nceud(s) activeur(s) (3) chargé(s) de mettre à jour le(s) afficheur(s) de comptage des places disponibles disposés dans la zone du nœud capteur (1 ) ;
enfin, à la passerelle 4 reliée à la console d'administration 10 du système 100, pour la mise à jour d'une interface de gestion du parking (plan indiquant le panorama d'occupation des places, repérage de voitures stationnées au-delà d'une durée limite, statistiques détaillées, etc.).
Les communications mises en œuvre sur le canal radio partagé 5 concernées comprennent par exemple le dialogue entre le nœud passerelle 4 et un nœud activeur spécifique, pour le pilotage d'un équipement depuis la console 10 (exemple : fermeture d'une barrière donnant sur une allée de stationnement, mise à jour de consignes de guidage, etc.) ; le rapport réalisé par un nœud balise 2 ou un nœud activeur 3 à destination du nœud passerelle 4 (exemple : nécessité d'une maintenance, niveau d'énergie courant, etc.) ; etc.
Le procédé technique de communication inter-nœuds est le suivant : à chaque nœud est associé un identifiant unique (adresse unique du nœud), construit dynamiquement lors de sa première activation.
Le système est configuré de façon à ce que chaque nœud ayant une information utile à transmettre connaisse l'adresse unique des nœuds destinataires de cette information et indique cette adresse dans un en-tête du message contenant l'information.
Le procédé de routage employé repose sur des mécanismes connus de l'état de la technique, et inspirés de travaux de recherche menés au sein des laboratoires français de l'INRIA (Institut National de Recherche en Informatique et Automatique), résumés dans les notes de conférence de l'International Conférence on Mobile Ad Hoc and Sensor Networks (MSNO8) à Wuhan, Chine, en 2008. Ce mécanisme est notamment décrit dans l'article : HECTOR, an Energy efficient Tree-based Optimized Routing protocol for wireless networks rédigé par Nathalie Mitton, Tahiry Razafindralambo, David Simplot-Ry et Ivan Stojmenovic. Un double système d'adressage se superpose aux adresses uniques : l'un est associé à un algorithme de routage garantissant, quelle que soit la configuration du réseau 12, l'existence d'un chemin, de nœud à nœud, depuis le nœud X expéditeur initial du message, jusqu'au nœud Y destinataire final du message. L'autre est associé à un algorithme de routage concurrent, fournissant un chemin optimal mais sans garantie de livraison. L'exploitation de ces deux adressages permet à un nœud X, désireux de transmettre une information à un nœud Y qui n'est pas directement à portée radio, de sélectionner le meilleur prochain voisin Z, à portée radio de X, pour l'acheminement de l'information. Une fois celle-ci transmise à Z, le problème du routage est reporté pour un acheminement de Z à Y. Ce mécanisme est itéré jusqu'à ce que l'information soit transmise à un nœud voisin de Y, qui la communique finalement à Y.
Un procédé de communication dans un mode de mise en œuvre de l'invention est tel que chaque nœud se voit attribuer un intervalle de temps (en anglais « intervalle de temps ») dans lequel lui-seul, parmi les nœuds dans son voisinage radio (ie à portée radio du nœud) est habilité à recevoir des messages.
Considérons par exemple un nœud quelconque N1 dans le réseau 12 et l'ensemble des nœuds à portée radio du nœud N1 nommés nœuds voisins du nœud N1 .
La communication est organisée par cycles de communication successifs (en anglais « timeframes ») coïncidant avec les cycles de mesure décrits plus haut et dont la durée est par exemple de mille-vingt-quatre millisecondes.
En référence à la figure 3, chaque cycle C de communication est segmenté en deux périodes : une période de veille T1 et une période d'éveil T2.
La période T1 est une période où les nœuds sont en veille (ie les moyens d'émission/réception radio sont en veille et ne consomment pas d'énergie), commandée par leur microcontrôleur et qui ne donne lieu à aucun événement.
La période T2 est une période au cours de laquelle au moins certains des nœuds s'éveillent sous la commande de leur microcontrôleur pour au moins un certain temps. La période T2 est segmentée en intervalles de temps T. Par exemple la durée de chaque intervalle de temps T est de seize millisecondes, le nombre d'intervalles de temps T est de seize dans la période d'éveil T2, ce qui conduit à une durée respective de la période d'éveil T2 égale à deux-cents-cinquante-six millisecondes, et à une durée égale à cents- soixante-huit millisecondes pour la période de veille T1 .
Dans un mode de réalisation de l'invention, on affecte à chaque nœud radio N1 un intervalle de temps spécifique, différent des intervalles de temps affectés respectivement aux nœuds voisins du nœud N1 .
Lors d'un cycle de communication C, les nœuds voisins sont adaptés pour émettre, sous la commande de leur microcontrôleur 9, les messages à destination dudit nœud N1 sur le canal radio partagé 5 exclusivement pendant l'intervalle de temps affecté au nœud N1 .
Et le nœud N1 est commandé par son microcontrôleur 9, pour se placer en écoute active du canal radio 5 au moins pendant une partie de l'intervalle de temps qui est affecté au nœud N1 , en vue de recevoir les messages émis qui lui sont destinés.
Dans un mode de réalisation, une parfaite synchronisation des nœuds est requise au sein d'un voisinage radio donné. Le mécanisme de synchronisation est distribué, et fondé sur l'émission sur le canal radio partagé de signaux balises, contenant notamment les adresses du nœud émetteur, le vecteur d'occupation des intervalles de temps dans le voisinage radio du nœud (voir plus bas), et des informations de maintenance réseau.
Chaque nœud détermine, sur la base de ses adresses propres et de celles de ses nœuds voisins, un unique nœud « maître du temps » (en anglais « clockmaster »). Le choix du « maître du temps » est important pour éviter des mécanismes de synchronisation par clique de nœuds, synchronisés entre eux, mais dont le synchronisme est isolé et dérive par rapport au reste du réseau.
Dans un mode de réalisation, on définit une structure hiérarchique (arbre) des nœuds dominée par le nœud passerelle 4. Chaque nœud choisit comme « maître du temps » parmi ses nœuds voisins le nœud ayant le niveau le plus élevé dans la hiérarchie.
Au cours d'un cycle de communication C, le nœud N1 s'éveille notamment à deux reprises lors de la période d'éveil T2 sous la commande de son microcontrôleur. La première fois, pendant l'intervalle de temps affecté à son « maître du temps », le nœud N1 écoute le signal balise émis par son « maître du temps », afin de resynchroniser sa propre horloge interne sur celle du son « maître du temps ». Ainsi le nœud N1 est programmé pour s'éveiller au commencement de l'intervalle de temps du « maître du temps », recevoir le signal balise, puis repartir en mode veille immédiatement ensuite.
Le second éveil est programmé au début de l'intervalle de temps dédié au nœud N1 lui-même. Le nœud N1 envoie alors son signal balise propre, indiquant que l'intervalle de temps qui lui a été affecté débute et qu'il se placera, tout de suite après l'envoi de son signal balise, en écoute des nœuds voisins désireux de lui communiquer un message. Le nœud N1 peut lui-même être « maître du temps » d'autres nœuds voisins, et son signal balise servira alors à la synchronisation de ces voisins. Après envoi de son signal balise, le nœud N1 passe en mode réception : si un nœud voisin lui communique un message, le nœud N1 écoute ce message, le stocke dans sa mémoire volatile, envoie un acquittement pour confirmer réception, et se place de nouveau en mode réception à l'écoute d'éventuels autres messages. Si aucun voisin ne lui communique de message dans un laps de temps, typiquement très inférieur à la durée de l'intervalle de temps qui lui a été affecté, alors le nœud N1 éteint son antenne et repart en mode veille.
Le nœud N1 s'éveillera en outre au cours des intervalles de temps affectés aux nœuds voisins à destination desquels il doit transmettre un message pendant le cycle de communication C. En revanche, le nœud N1 restera en veille, sous la commande de son microcontrôleur 9, lors des intervalles de temps affectés aux nœuds voisins (en-dehors de son nœud « maître du temps») à destination desquels le nœud N1 n'a pas de message à transmettre.
Le mécanisme d'allocation des intervalles de temps est basé sur le partage des vecteurs d'occupation des intervalles de temps dans le voisinage radio de chaque nœud, mentionné plus haut. Ce vecteur (16 bits de données correspondant aux 16 intervalles de temps T du cycle de communication C, et valant chacun 0 lorsque l'intervalle de temps est libre ou 1 lorsque l'intervalle de temps est déjà alloué à un nœud) est envoyé par chaque nœud au sein de son signal balise : il indique quels intervalles de temps sont déjà dédiés au nœud et à ses voisins.
A l'initialisation du nœud N1 , celui-ci se place en mode de réception passive (il n'émet aucun message et écoute son voisinage radio). A l'issue d'un cycle (environ une seconde), la totalité des signaux balises de ses nœuds voisins lui est parvenue - en pratique, l'écoute est répétée sur plusieurs cycles de façon à minimiser le risque de pertes de balises liées à des perturbations de l'environnement radiofréquence). Le nœud N1 connaît donc les intervalles de temps dédiés à ses voisins Xi. De plus, les signaux balises émis par chaque voisin Xi contiennent le vecteur d'occupation des intervalles de temps dans le voisinage radio de Xi. Cette information est utile au nœud N1 , car un des voisins Xj du nœud Xi peut ne pas être voisin de N1 , qui n'a alors pas conscience de l'existence de Xj et pourtant N1 et Xj ne doivent pas sélectionner le même intervalle de temps au sein du cycle de communication, car alors Xi ne pourrait pas communiquer simultanément des informations à N1 et à Xj, et des risques de collision de messages s'ensuivraient. Il s'agirait d'interférences d'ordre deux : les émissions des voisins des voisins de N1 pourraient interférer avec les émissions de N1 .
A l'aide des vecteurs d'occupation des intervalles de temps de ses voisins (opération de OU logique sur ces vecteurs) le nœud N1 récupère donc l'ensemble des intervalles de temps occupés par ses voisins et par les voisins de ses voisins. Il peut choisir parmi les intervalles de temps demeurés libres à la fois par ses voisins et par les voisins de ses voisins, son intervalle de temps dédié, au début duquel il se met alors à émettre son signal balise. Il exécute ensuite les cycles de communication comme décrits plus hauts.
Dans un mode de réalisation, le choix d'un intervalle de temps, parmi ceux demeurés libres, peut être opéré selon une heuristique permettant d'optimiser le cadencement d'éveil des nœuds dans les différents voisinages radio. Cette heuristique consiste à faire choisir par le nœud donné, dès que cela est possible, un intervalle de temps qui précède l'intervalle de temps alloué au nœud voisin destinataire d'une majorité des messages transmis par le nœud donné. Ce nœud voisin est déterminé par le mécanisme de routage en considérant les nœuds voisins auxquels le nœud donné a transmis un message au cours d'un nombre fixe de cycles, et en sélectionnant le nœud voisin destinataire du maximum des messages. L'heuristique est donc située à la frontière des mécanismes de MAC et de routage. Cela assure au système une potentielle convergence, c'est-à-dire la capacité à optimiser des directions de propagation des messages afin de réduire encore la latence. En particulier, dans le cas du parc de stationnement, il est attendu que l'information de changement d'occupation d'une place soit remontée le plus vite possible, de nœud en nœud, jusqu'au nœud passerelle 4 - à des fins de gestion en quasi- temps réel du parc. Pour cela, la direction « vers le nœud passerelle 4» peut être favorisée en organisant l'attribution des intervalles de temps aux nœuds de façon à ce que les nœuds qui s'éveillent à tour de rôle soient localisés dans le sens du trajet à parcourir. Chaque information, recueillie au niveau d'un intervalle de temps numéroté x, peut ainsi réaliser jusqu'à (16-x-l ) (seize moins x moins un) sauts dans la direction de la passerelle 4 et au cours d'un même cycle. Sur le cycle suivant, ce nombre est porté à (16-1 ) (quinze). Le passage d'un cycle à l'autre se paye au prix d'une latence additionnelle correspondant à la durée de la période de veille (typiquement, sept-cents-soixante-huit millisecondes).
Des effets de bord sont susceptibles de se produire dans des environnements très denses, dans lesquels les nombres de nœuds dans les voisinages sont importants, typiquement supérieurs à 16 nœuds. Dans ces cas particuliers, un mécanisme adaptatif fait localement passer le nombre d'intervalles de temps de chaque cycle de communication de seize à trente- deux.
A l'inverse, dans les topologies les moins denses, ou lorsque les communications sont très fortement perturbées, les voisinages réseaux peuvent être peu peuplés : un mécanisme de modulation de portée est alors mis en place, pour augmenter la portée radio de chaque nœud ; au prix d'une surconsommation faible, le voisinage des nœuds est ainsi agrandi.
Enfin, afin de réduire encore la consommation générale des nœuds, un mécanisme additionnel est mis en place, consistant à inclure dans le signal balise d'un nœud un vecteur (typiquement, dix bits valant chacun 0 ou 1 ) indiquant au cours de quels cycles de communication futurs le nœud sera éveillé. Le nœud peut ainsi ne pas participer à tous les cycles et demeurer en veille plus longtemps. Ce mécanisme, nourri par une heuristique sur mesure construite en fonction de besoins métiers, est utile dans des contextes où les exigences en termes de latence varient. Dans le cas d'application illustré, une latence plus importante peut être tolérée lorsque le parc de stationnement est loin de la saturation en véhicules.
Un tel procédé de communication permet de réduire efficacement la sur-écoute et la sur-émission de messages et donne lieu à de très bonnes performances dans les cas où le trafic réseau et la bande passante sont faibles (peu de transmissions), mais les besoins en termes de latence très élevés. Un tel procédé de communication entre nœuds permet d'optimiser les contraintes relatives à la latence et à la consommation d'énergie En ce sens il répond bien aux contraintes rencontrées dans les systèmes utilisés dans les parcs de stationnement par exemple.
Le procédé de communication selon l'invention a été décrit ci-dessus dans une application pour un parc de stationnement. Toutefois, ce procédé de communication peut être implémenté pour tout type de réseau de nœuds.
Dans un mode de réalisation de l'invention, un procédé de détection collaborative d'objets ou de personnes, permet au niveau d'un nœud capteur de tirer parti des mesures effectuer par un autre nœud capteur et d'améliorer la fiabilité de la détection.
Ce procédé peut être mis en œuvre seul ou en combinaison avec le procédé de communication décrit ci-dessus.
A l'issue d'un cycle par exemple, les nœuds capteurs voisins d'un nœud capteur N1 (définis comme les nœuds à portée radiofréquence de N1 ) communiquent à N1 les mesures fournies par leur propre module de détection. Cette communication peut-être systématique (notamment par le biais des trames de maintenance de la synchronisation réseau) ; événementielle (envoi des mesures locales aux nœuds voisins à l'occurrence d'un événement local prédéfini : par exemple, lorsque l'énergie du signal dépasse un seuil, ou lorsque le signal respecte un motif prédéfini) ; ou encore sur demande, un nœud interrogeant ses voisins lorsque nécessaire, c'est-à-dire pour la levée d'ambiguïté, lorsque l'information locale récupérée par le nœud N1 ne suffit pas au système expert pour prendre une décision fiable de présence ou d'absence de l'objet ou de la personne.
De la sorte, l'algorithme de traitement embarqué de N1 fonde sa décision (occurrence ou non d'un changement d'état) sur la base d'une information enrichie : la mesure renvoyée par le module de détection de N1 , ainsi que les mesures renvoyées par les modules de détection des nœuds voisins de N1 . L'exploitation de cette information enrichie intervient dans le procédé de détection selon plusieurs procédés décrits ci-dessous à titre d'exemple.
Dans la transition des états d'incertitude aux états stables, le système expert du nœud capteur N1 compare la variation des grandeurs physiques mesurées localement aux variations mesurées simultanément au niveau des nœuds voisins : cette comparaison permet de combler le déficit de localité des modifications de grandeurs physiques induites par l'arrivée (respectivement, le départ) de l'objet ou de la personne (réduction de l'ambiguïté 4).
L'emploi de ce premier mécanisme de levée d'ambiguïté permet de réduire très significativement les transitions erronées des états d'incertitude vers les états stables. De la sorte les seuils fixés dans les fonctions de transition, pour l'énergie du signal, et pour les niveaux admissibles de signaux dans les états stables, peuvent être réduits jusqu'à permettre de détecter les objets ou personnes induisant de très faibles modifications des grandeurs physiques mesurées (réduction de l'ambiguïté 3).
Enfin, le partage collaboratif des mesures entre nœuds permet de caractériser une majorité des événements externes perturbateurs des grandeurs physiques mesurées, dans la mesure où ceux-ci sont temporaires et non-locaux. Cette caractérisation doit être effectuée au cas par cas, non seulement en fonction du cadre d'application de l'invention, mais aussi en fonction du contexte de déploiement. A titre d'illustration de ce dernier mécanisme de détection collaborative : dans le cas d'un parc de stationnement donné, une typologie des événements perturbateurs du champ magnétique ambiant est dressée (exemple : passage d'une rame de métro à proximité du parc de stationnement) ; le profil des perturbations, défini comme la fonction d'amplitude des perturbations magnétiques en fonction du temps, est établi localement pour chaque nœud ; un profil global de perturbations, pour un voisinage de nœuds (en particulier : pour le nœud N1 et les voisins de N1 ), est établi ; ce profil sert à l'ajustement des fonctions de transition, la reconnaissance d'un profil de perturbation par le nœud N1 préemptant un changement d'état non souhaité (réduction de l'ambiguïté 1 ).
Dans un mode de réalisation, les procédés décrits ci-dessus sont mis en œuvre notamment suite à l'exécution dans les modules de traitement des nœuds d'instructions de programmes informatiques.
Next Patent: MOTOR VEHICLE HOOD PROVIDED WITH REINFORCED STRIKER WIRE