Les différentes versions de capteurs sans fil réalisées

Au sein de l’équipe SMIR (Systèmes Multi-sensoriels Intégrés Intelligents Répartis) du laboratoire LIMOS (Laboratoire d’Informatique, de Modélisation et d’Optimisation des Systèmes) UMR CNRS 6158, différents projets de recherche dans des domaines d’applications divers et variés ont permis le développement de dispositifs électroniques proches des capteurs sans fil. Le projet STAR (Système Télé-Assistant Réparti) a, par exemple, donné lieu à la création d’un capteur biomédical dédié à la détection et à l’analyse des signaux électrocardiogrammes [de Vaulx 2003] [Zhou 2004b]. D’autres développements répondant à la problématique de la communication inter-véhicule ont donné naissance au capteur E-CIVIC [Chanet 2007]. La réalisation de ces deux capteurs a permis à l’équipe d’acquérir un niveau d’expertise permettant l’élaboration d’un capteur sans fil multi-composant nommé LiveNode. Les principales caractéristiques et spécificités de ces trois types de capteurs sont présentées dans ce qui suit.

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

4.1.1 Les capteurs biomédicaux

Différents capteurs biomédicaux ont été développés dans le cadre du projet de télémédecine STAR (Système Télé-Assistant Réparti) introduit dans le chapitre 1 [de Vaulx 2003] (voir Figure 4.1).

Figure 4.1 – Capteur biomédical du projet STAR

Chacun l’ont été en respectant les recommandations publiées par l’AHA (American Heart Association). Chaque capteur permettait de récupérer les signaux électrocardiogrammes sur quatre dérivations différentes. La dernière version s’appuie sur une architecture matérielle basée sur un microcontrôleur MSP430 et équipée d’un module de communication IEEE 802.15 Bluetooth. Les traitements réalisés par ces capteurs biomédicaux ont également évolué. Les premiers étaient uniquement en charge de la récupération et du conditionnement des signaux électrocardiogrammes auprès de la personne sous surveillance. L’interprétation des anomalies cardiaques détectées est une fonctionnalité qui a été ajoutée par la suite. Cette information est fournie à titre indicatif et ne remplace aucunement le diagnostic d’un cardiologue.

Ce projet a également donné lieu au développement de deux systèmes d’exploitation embarqués : DREAM [de Vaulx 2003] et SDREAM [Zhou 2004b].

Sur ce capteur STAR, devait s’appuyer une plateforme dédiée à la détection de problèmes d’arythmies cardiaques à distance et en temps réel [Zhou 2004a] [Zhou 2004b]

(voir Figure 4.2). Ce dispositif est divisé en deux grandes parties :

• Les équipements fournis à la personne sous surveillance ;

• Un centre hospitalier de traitement et d’intervention.

Un ordinateur personnel est installé au domicile de la personne sous surveillance. Cet ordinateur est équipé d’un module de communication Bluetooth pour pouvoir recevoir les informations collectées sur la personne par le capteur biomédical. Ces informations sont ensuite transmises de l’ordinateur vers un centre hospitalier, par l’intermédiaire d’une ligne téléphonique classique, pour être interprété par un cardiologue. Ainsi, suivant le problème détecté, ce dernier peut ou non faire intervenir rapidement des secours au domicile de la personne sous surveillance. Pour limiter au maximum les diagnostics erronés suite à une mauvaise manipulation du capteur biomédical de la part de la personne sous surveillance, l’ordinateur est muni d’une caméra utilisée, si nécessaire, par le centre hospitalier pour lever tout doute. La principale source d’erreurs ou de relevés anormaux est le décollement d’une électrode.

La possibilité d’équiper le capteur biomédical STAR avec un module de communication GSM (Global System for Mobile communications) / GPRS (General Packet

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Radio Service) et d’un système de localisation GPS (Global Positioning System) a été envisagée pour donner encore plus de liberté à la personne sous surveillance.

Figure 4.2 – Plateforme STAR [de Vaulx 2003]

4.1.2 Le capteur E-CIVIC

Différents travaux ont été menés, au sein de la fédération de recherche TIMS (Technologies de l’Information, de la Mobilité et de la Sûreté) du pôle clermontois, sur la thématique des véhicules intelligents et la communication inter-véhicule. A ce titre, une première version du capteur sans fil E-CIVIC (Embedded-Communication Inter Vehicle Intelligent and Cooperative), possédant l’architecture matérielle décrite ci-dessus, a été développé :

• 3 unités de calcul : 2 microprocesseurs MSP et 1 microprocesseur CP3000 ;

• 3 modules de communication : 1 module IEEE 802.11b Wi-Fi, 1 module IEEE 802.15 Bluetooth et 1 module GSM/GPRS ;

• 1 système de localisation par GPS ;

• Différentes interfaces séries tel que des ports RS232 et USB ;

• 1 interface bus CAN (Controller Area Network).

Le microcontrôleur CP3000 est l’unité de calcul principal. Elle fait appel aux unités secondaires que sont les microprocesseurs MSP pour des traitements spécifiques. La présence de modules de communication Wi-Fi et Bluetooth permet l’utilisation de la technique du multi-support.

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

Le capteur E-CIVIC est également muni d’applications logicielles adaptées aux contraintes de la communication inter véhicule comme, par exemple, le protocole de routage CIVIC (Communication inter Vehicle Intelligent and Cooperative), introduit dans le paragraphe 3.5.2.1 du chapitre 3 [Zhou 2006d]. Ce protocole intègre différentes fonctionnalités comme des techniques d’estimation de la bande passante disponible et des méthodes pour prendre en compte les spécificités du domaine d’application comme, par exemple, la vitesse des véhicules. Enfin, le fonctionnement général du capteur E-CIVIC est à la charge du micronoyau temps-réel tolérant aux pannes DREAM (voir Figure 4.3).

Figure 4.3 – Architecture du capteur sans fil E-CIVIC

4.1.3 Le capteur LiveNode

Bien qu’adaptée aux contraintes rencontrées, l’architecture matérielle du capteur sans fil E-CIVIC comporte un certain nombre d’inconvénients. Le principal est la complexité d’utilisation de cette architecture que ce soit pour ajouter de nouveaux composants matériels ou pour implémenter de nouvelles applications logicielles. Ce capteur sans fil a donc laissé place à un capteur E-CIVIC de deuxième génération [Chanet 2007] rebaptisé LiveNode (LIMOS Versatile Embedded Node) [Hou 2007b].

Le capteur sans fil LiveNode intègre d’importantes évolutions tant sur le plan matériel que logiciel. Au niveau matériel, tout d’abord, l’approche multi-composant a été introduite et privilégiée. Ainsi, une unité matérielle de base a été définie et conçue autour du microcontrôleur AT91SAM7S256 de la famille des ARM7TDMI. Une des particularités de ce microcontrôleur est d’avoir une fréquence de fonctionnement que l’on peut faire varier de 500Hz à 55MHz. Les autres caractéristiques principales de ce microcontrôleur sont :

• 64Ko de mémoire SRAM et 256Ko de mémoire Flash ;

• 1 convertisseur Analogique/Numérique 8 voies 10 bits ;

• 2 ports série RS232 ;

• 1 port USB ;

• 1 interface SPI ;

• 1 bus I²C.

Les différentes interfaces dont dispose ce microcontrôleur permettent de connecter un large panel de dispositifs. Dans l’unité matérielle de base, une des interfaces série est réservée

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref

à un module de communication de type soit IEEE 802.11b Wi-Fi, soit IEEE 802.15.4 ZigBee.

Un système de localisation par GPS ainsi qu’un module GSM peuvent également être ajoutés grâce aux ports série restants.

Cette unité logicielle de base représente la configuration la plus simple du capteur LiveNode (voir Figure 4.4). Plusieurs unités de ce type peuvent être combinées pour répondre aux contraintes d’un large panel d’applications. Par exemple, deux unités disposant d’un module de communication différent peuvent être associées pour permettre l’utilisation de la technique du multi-support.

Figure 4.4 – Capteur sans fil LiveNode

La gestion du capteur sans fil LiveFile a été confiée à un nouveau système d’exploitation : le noyau hybride LIMOS. Ces deux éléments ont été développés, en parallèle, quasiment en même temps. Le protocole CIVIC a été porté sur ce nouveau noyau tout en ayant subi des améliorations comme, par exemple, la présence de techniques d’estimation de la bande passante disponible plus performantes.

CemOA : archive ouverte d'Irstea / Cemagref