Mode veille (sleep)

En plus du courant actif (mentionné dans le chapitre 3), l'autre état possible est le mode veille. Le courant de veille est une mesure très importante pour calculer le courant. Ceci est important pour la vie de la pile, parce que dans la plupart des cas d’utilisation, elle passe la plupart du temps dans ce mode en étant connectée, en attendant l’événement de connexion suivant. En mode veille, à l’exception du SysRAM, la radio et le dispositif périphériques sont mis en mode tension de veille et l’horloge de XTAL16M est arrêtée. Le SysRAM est toujours sous tension pour conserver les données, mais celles-ci ne sont pas accessibles. La figure 22 montre la courbe de consommation énergétique en mode veille. Le courant moyen en mode veille est de 0,27 mA et le courant maximal est d’environ 1,5 mA.

Courbe de consommation en mode veille. Figure 22.

La consommation de courant et la consommation énergétique du BLE dans différents modes de travail sont résumées dans le tableau 5. Comme on peut le voir, la consommation de courant maximale de l’activité radio (annonce, connexion, transmission) est sous les 5 mA. Ainsi, on peut atteindre une durée de vie prolongée pour notre système en raison de sa faible consommation énergétique grâce à la technologie BLE.

Consommation de courant dans les modes de travail différents. Tableau 5. Mode de fonctionnement Consommation de courant (en moyenne) Consommation énergétique Identification _{3,46 mA 11,41 mW} Connection _{0,98 mA 3,23 mW} Transmission _{3,22 mA 10,62 mW} Veille _{0,27 mA 0,891 mW}

Deuxième configuration : résultats expérimentaux

5.2.

Un schéma de l’installation mise en œuvre est représenté à la figure 11, où les paquets ont une charge utile connue. Par conséquent, ces charges utiles au niveau du récepteur sont comparées aux données connues, alors la perte de paquets peut être calculée. Un paquet se compose d’un préambule (1 octet), une adresse (3 octets), un code de détection d’erreur (1 octet CRC) et une charge utile (8 à 32 octets). Pour caractériser la quantité d’informations que le lien RF peut transmettre, des paquets dont la longueur est de 12-36 sont envoyés. Un autre facteur qui montre l’efficacité d’une liaison RF est la vitesse à laquelle les octets peuvent être envoyés à l’intérieur d’un paquet. Pour obtenir cela, la fréquence d’émission d’octets dans un paquet a été variée entre 10 et 200 Hz avec un pas de 50 Hz. Comme on l’a vu à la figure 23, le taux de perte de paquets augmente à mesure que nous augmentons la longueur des paquets, parce qu’il y a une plus grande probabilité qu’un paquet contienne un bit erroné. Afin de comparer les pertes de paquets par rapport à la distance, la position de l’antenne d’émission est modifiée de 1 à 10 mètres avec un pas de 1 mètre. À chaque étape, plusieurs acquisitions sont faites et la valeur moyenne est calculée.

L’effet de la longueur du paquet et la vitesse de transmission d’octets sur le taux de pertes de paquets. Figure 23.

La figure 24 montre une augmentation du taux de perte de paquets, qui peut être déduite comme une diminution du niveau de puissance du signal qui est la raison pour laquelle nous voyons une baisse du rapport signal à bruit (SNR). Une autre cause d’erreur de paquets peut être l’apparition de l’interférence par trajet multiple de réflexion, qui se comporte de façon non linéaire.

Pertes de paquets vs distance de transmission. Figure 24.

Discussion

5.3.

Les deux systèmes de communication sans fil présentés fonctionnent à la même fréquence (2,4 GHz). Le nRF24L01 a une norme de protocole qui est la plus simple sur le marché et facile à mettre en œuvre. Il a de nombreuses fonctionnalités telles qu’un faible coût, une faible puissance, et une mise en œuvre facile. Le BLE est une technologie sans fil émergent à faible puissance développée pour les applications de surveillance et de contrôle à courte portée. En comparaison avec le nRF24L01, il a de bonnes performances et répond à la majorité des besoins et solutionne la majorité des difficultés de la surveillance médicale. La complexité réduite du protocole permet aux radios de consommer des courants très-faibles durant la transmission et la réception, et des courants

aussi bas que quelques nanoampères en mode veille. La principale amélioration de ce système est le technologie BLE, basée sur la puce DA14580 de Dialog Semiconductor, qui peut passer par les états de couche de veille ou de couche de sommeil. La plupart du temps, le dispositif est en mode veille consommant peu d'énergie, rend donc la consommation de puissance très-faible possible. Comme indiqué dans la fiche technique, le courant de crête sous n'importe quel type d'activité radio est de moins de 5 mA. Le courant moyen dépend de l'intervalle de connexion. Lorsque le périphérique est actif, mais la radio n'est pas en mode de transmission ou en mode de réception, il n’utilise approximativement quelques centaines µA. L'objectif de ce travail est d'introduire la technologie sans fil BLE et de rendre compte de ses performances de transmission. BLE présente de nombreux avantages par rapport aux autres technologies sans fil, c'est pourquoi nous la choisissons comme solution de transmission sans fil. La topologie en étoile simple réduit considérablement la complexité d'implémentation. Pour l'instant, ce système est très robuste par saut de fréquence par rapport à d'autres technologies sans fil avec une très faible puissance, qui est son point culminant. Afin d'obtenir une mesure plus précise actuelle pour le BLE, différents aspects ont été pris en compte. Pour faire une comparaison avec la théorie, le courant de pointe mesuré dans l'architecture BLE dont l'alimentation 3 V, tire 5mA sous n'importe quel type d'activité radio tant lors de l'annonce que de la connexion (identiques à ceux mentionnés dans la fiche technique DA14580). C'est 50% de moins que celle d'autres solutions sans fil qui ont une portée petite ou moyenne et une faible puissance. Le courant moyen dépend de l'application, de l'annonce ou des intervalles de connexion, de la durée du mode veille et de la fréquence à laquelle il se réveille pour annoncer, se connecter et déplacer des données.

Chapitre 6 : Discussion et perspectives futures

Discussion

6.1.

Ce travail a porté sur la surveillance à long terme des soins de santé et sur les soins de santé personnalisés. Ils permettent aux patients de surveiller leur état de santé en temps réel et de transférer les données recueillies aux systèmes d’information ou à un personnel médical qualifié. Le système devrait être en mesure d’enregistrer et de recueillir des données provenant des capteurs reliés aux patients et de les transmettre en continu à une passerelle. Il doit être confortable, discret, à faible coût et de petite taille. Le système peut aider les gens à mieux gérer leur état de santé et à améliorer leur qualité de vie. Au premier abord, un examen de la littérature et la compréhension des WBAN sont présentés. Les différentes technologies de communication sans fil ont été étudiées ainsi que les questions et les défis mis en jeu discutés.

Deux différentes mises en place pour les réseaux sans fil de corps sont proposées dans ce rapport. Dans la première configuration, BLE est proposé et sa compatibilité pour la surveillance continue des soins de santé est étudiée. Le BLE ouvre une nouvelle génération d'occasions pour les systèmes de communication et les applications médicales et annonce des fonctionnalités plus convaincantes dans plusieurs domaines. La faible consommation de puissance de ce protocole et le faible taux de pertes des paquets nous offre un système robuste en application médicale. La consommation de courant maximale en mode activité radio est sous 5 mA. Par conséquent, on peut atteindre une durée de vie prolongée pour notre système. La latence et l’intervalle de connexion ont été étudiés contre la perte de paquets et le taux de transmission et on a observé que plus on augmente l’intervalle de temps de connexion, plus les pertes de paquets et le taux de rapport de transmission ont été diminués. Différentes applications peuvent nécessiter des intervalles de connexion différents et comme discuté, il existe un compromis entre la consommation énergétique, le débit et la latence du système. La caractéristique

de pertes de paquets dans le système étudié avec une distance croissante augmente en raison de l'accroissement du brouillage par trajets multiples réfléchis et la diminution du SNR. La consommation énergétique dans les différents modes a été analysée et mesurée. Considérant que le dispositif BLE transmet seulement pendant un petit pourcentage du temps total, la pile du dispositif devrait avoir une durée de vie allant de plusieurs mois à plusieurs années.

La deuxième configuration est liée à la mise en œuvre et à la conception d’une interface de faible puissance RF, robuste et fiable, en utilisant une base de fibres multimatériaux textiles pour la communication des capteurs sur le corps.  Une nouvelle conception de détection textile avec capacité de communication RF est proposée, en utilisant uniquement de faibles puissances et de l’équipement à faible coût. Le système de communication de capteur proposé est composé d’un tissu textile avec une fibre discrète intégrée, multimatériaux qui transmet dans la bande 2,4 GHz ISM avec une bonne qualité de signal. Pour le système de communication, en utilisant un microprocesseur et MSP430 et un module de communication nRF24L01 comme plateforme pour la transmission de données à partir du tissu sur le patient au poste de surveillance. La caractérisation de la perte de paquets nous conduit à un système robuste pour une communication à partir du capteur sur le corps. Les performances de transmission d’un nouveau tissu de détection avec une communication RF ont été analysées. Les caractéristiques de perte de paquets et la longueur du paquet ont été étudiées, il a été observé que pour les paquets de moins de 12 octets de long et à distance de 1 mètre, le taux de perte de paquets était inférieur à 5 %. Une augmentation attendue des pertes de paquets avec l’augmentation de la distance a été expliquée par l’augmentation de l'interférence des trajets multiples et diminuée dans SNR.

En conclusion, pour le système de communication sans fil des systèmes présentés, il peut être remarqué que le nRF24L01 a une norme de protocole qui est la plus simple sur le marché et facile à mettre en œuvre. Les deux systèmes présentés fonctionnent à la même fréquence (2,4 GHz). Le nRF24L01 est un exemple de ces nombreux systèmes radio simples mais bons, et qui ne sont néanmoins pas très répandus dans les systèmes disponibles sur le marché, comme les téléphones

intelligents. En revanche, BLE est largement utilisé dans ces systèmes et connaît de bonnes performances, comparables à celles du nRF24L01, de sorte que le BLE est beaucoup plus attrayant. Le nRF24L01 possède de nombreuses fonctionnalités, tels qu’un faible coût, une faible puissance, et une mise en œuvre facile. La technologie BLE répond à la majorité des besoins et des difficultés de surveillance médicale. La complexité réduite du protocole permet aux radios de consommer de très-faibles courants durant la transmission et la réception, et des courants aussi bas que quelques nanoampères en mode veille. Au niveau de la sécurité, la technologie BLE supporte les communications encryptées avec le protocole AES. De plus, BLE est une norme ouverte, ce qui signifie que des appareils produits par différentes compagnies pourront assurément communiquer entre eux. Puisque BLE s’appuie sur la technologie sans fil Bluetooth, il sera facile de construire un PAN incluant plusieurs appareils. Il s'agit d'une technologie sans fil émergente à faible puissance développée pour les applications de surveillance et de contrôle à courte portée. En comparaison avec nRF24L01, il comporte beaucoup de nouvelles fonctionnalités intéressantes telles que la très- faible consommation d'énergie qui est un facteur clé pour la surveillance de la santé en temps réel. Considérant que la plupart des téléphones intelligents modernes possèdent la connectivité Bluetooth, ces fonctionnalités peuvent donc être incluses dans les appareils mobiles de la vie quotidienne. En utilisant les téléphones intelligents, nous pouvons fournir une rétroaction médicale en temps réel pour les utilisateurs.

Travaux futurs

6.2.

La gestion de l’alimentation est un enjeu crucial pour la plupart des applications des réseaux de capteurs sans fil pour la santé à long terme. Surtout que cette gestion est vraiment nécessaire dans les cas où la surveillance continue en temps réel est nécessaire. Il existe différentes technologies de courte portée pour WBANs dans une surveillance de la santé à long terme. Dans ce travail, deux technologies différentes pour la surveillance de la santé sont proposées et

étudiées. De nombreux aspects, tels que la fiabilité, la puissance, la portabilité, le réseau et les interférences en temps réel et la surveillance continu devraient être considérés dans les WBANs. Il y a plusieurs façons dont ce travail de thèse peut être utilisé à l’avenir. Certaines directions importantes et prometteuses sont décrites comme suit :

1. Dans ce travail, la mobilité des nœuds de capteurs et les interférences provenant d’autres sources ne sont pas considérées. Ces capteurs sont utilisés à l’hôpital, ils pourraient être perturbés par d’autres équipements médicaux, aussi la position du patient peut affecter la transmission fiable de données. Pour une transmission fiable de données pour un système de surveillance de la santé, la collision et les interférences et leurs effets sur le débit du système devraient être étudiés.

2. Considérant que la consommation énergétique dans l’application médicale est critique, certaines stratégies d’économie d’énergie, comme mettre le système en mode veille, peuvent fournir des solutions possibles. Cependant, un tel mode de veille ne convient pas pour la transmission de données en continu. Comme objectifs de recherche future, on propose la conception et la mise en œuvre d’un algorithme qui fournisse une architecture avancée pour une source d’énergie fiable et à long terme applicable aux systèmes sans fil de surveillance de la santé.

3. Une certaine amélioration de la performance, comme celle des taux de pertes de données et des taux de collision des paquets et l’amélioration du taux de succès de transmission, ce qui augmenterait la durée de vie du réseau, etc., peut être considérée comme perspective de recherches futures et une continuation pour ce projet.

Chapitre 7 : Conclusion

Conclusion

7.

Dans ce travail, nous proposons une nouvelle approche pour la conception et la mise en œuvre de réseaux sans fil. Le BLE est une nouvelle norme sans fil qui devrait répondre aux exigences fondamentales des capteurs sans fil tels qu'une faible consommation d'énergie, un protocole simplifié et de courts délais entre différents états d'émetteurs-récepteurs sans fil. Les résultats ont montré que cette solution satisfait aux exigences dans le domaine de la santé en ce qui a trait à la consommation d'énergie, à la latence et au taux d'erreur de paquets. Le point culminant de cette conception est sa consommation d'énergie ultra-faible qui a été analysée en détail selon différents modes. La consommation de courant maximale en mode radio est inférieure à 5mA, donc on peut s'attendre à une durée de vie prolongée pour ce système. Dans l'autre configuration, un nouveau design de textile de détection avec la capacité de communication RF est proposé, en utilisant un équipement à faible coût. La performance de transmission de ce système avec la communication RF a été analysée. De plus, la perte de paquets a été étudiée dans des conditions réelles, à l'intérieur et avec un multipath élevé, en fonction de la longueur des paquets et on a observé que le taux de perte de paquets était inférieur à 5%.

L'objectif de ce travail était d'introduire la technologie sans fil BLE et d'évaluer les performances de transmission de ce système. Comme discuté, le BLE offre de nombreux avantages par rapport aux autres technologies sans fil, c'est pourquoi il sera évalué à titre de solution de transmission sans fil potentiel pour ces travaux. La topologie en étoile simple réduit considérablement la complexité d'implémentation. De plus, La couche PHY utilise des sauts de fréquence de codage à étalement de spectre pour réduire les interférences et la décoloration. La robustesse de cette technologie en ce qui a trait aux sauts de fréquences,

comparativement à d'autres technologies sans fil ayant également une très faible consommation d'énergie, est un avantage indéniable.

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