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3. Technologies de communication pour le monitoring

3.1. Systèmes et réseaux de communication normalisés pour le monitoring

Le segment de communication le plus important dans le contexte de la thèse est le

segment BAN (voir Figure 20), concernant les dispositifs embarqués sur le corps appelés

également « nœuds ». Ces dispositifs incluent les capteurs (physiologiques ou d’activité), le

traitement des données brutes et les modules de communications. Ces derniers sont basés sur

des technologies à courte portée car les capteurs transmettent les données à un dispositif de

collecte ou « nœud coordinateur » localisé généralement sur le corps (voir Figure 21(a)) ou

dans l’environnement proche (2m environ, voir Figure 21 (b)). Cet ensemble de nœuds

constitue un réseau dit BAN.

Figure 21 : Exemples de topologie de réseau de capteurs corporels

Beaucoup de solutions utilisent des liaisons filaires entre les capteurs pour réaliser le

BAN en pratique mais cela provoque de l’inconfort pour le patient, limite la mobilité et donc

ralentit le déploiement des applications.

De nombreuses activités se sont alors développées autour des réseaux BAN sans fils

ou WBAN (« Wireless BAN ») :

- Le standard IEEE 802.15.4 pour les communications sans fils à courte portée

publié en 2006 est plutôt dédié aux réseaux de capteurs sans fils en général même

si IEEE 802.15.4/Zigbee est une technologie souvent utilisée pour des applications

BAN médicales (Custodio 2012).

- Un standard plus spécifique aux communications à proximité du ou dans le corps a

été établi pour la première fois en 2012 (IEEE 802.15.6) prenant en compte en

particulier des contraintes de taille et d’énergie propres à ces réseaux. IEEE

802.15.6 comporte deux volets dont un dédié aux applications médicales. Les

Nœud capteur Nœud coordinateur (a) Nœud capteur (b)

Nœud coordinateur

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bandes de fréquences disponibles sont classifiées en 3 groupes : « Human Body

Communications » (HBC), « Narrow Band » (NB) et « Ultra-Wide Band »

(UWB). On peut également noter des activités de standardisation autour de

Bluetooth « Low Energy » (BT LE).

Le Tableau 2 présente et compare certaines caractéristiques de ces différents

standards.

ZigBee - IEEE

802.15.4

IEEE 802.15.6 BlueTooth 4.0 (LE)

Fréquences 868/915/2400 MHz

NB :

402-405/420-

450/863-870/902-928/950-956MHz

2,36-2,4/2,4-2,483GHz

UWB :

3GHz-10GHz

HBC : 16/27 MHz

2,4GHz

Débit 20-250 Kb/s NB : 57,5-485,7 Kb/s

UWB : 0,5-10 Mb/s

50-200 Kb/s

Portée 30 m 1,2 m 30 m

Puissance 30 mW 0,1 W 10 mW

Tableau 2 : Comparaison de standards WBAN (Custodio 2012)

On peut constater qu’a priori tous les standards pourraient être utilisés pour des

applications de monitoring telles que celles envisagées dans la thèse. Si la puissance est le

critère principal c’est IEEE 802.15.6 qui est plus adapté. Par contre, dans le contexte de la

thèse l’objectif étant de développer un dispositif porté permettant de transmettre directement à

distance et en mobilité les données de l’accéléromètre embarqué on se place dans le cas où le

dispositif transmet directement ses données au point d’accès comme sur la Figure 21(b). Dans

ce cas, Zigbee et BT sembleraient plus appropriés.

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D’autre part, le traitement et l’analyse des données transmises pour l’application de

monitoring peuvent s’effectuer à différents niveaux et concernent alors différents segments :

- Le dispositif de collecte peut inclure des fonctionnalités de traitement en réalisant

par exemple une fusion des informations des différents capteurs ou encore

permettre une restitution de l’analyse sous forme d’alarmes et de recommandations

à la personne. On reste dans ce cas dans le périmètre du réseau BAN.

- Un autre niveau correspond au cas où l’application nécessite des informations avec

plus de contraintes pour le système embarqué, comme lorsque la capacité requise

en termes de place mémoire ou de traitement est trop importante (par exemple

lorsqu’on doit tenir compte du dossier du patient) ou bien parce qu’il faut

communiquer avec des services d’urgence ou un professionnel de santé à distance.

Dans ce cas, le nœud coordinateur établit des communications avec un ou

plusieurs points d’accès (segment LAN/PAN). Le point d’accès permet d’accéder

à des réseaux plus étendus du segment MAN/WAN qui inclut les technologies

cellulaires (comme par exemple GSM, GPRS, UMTS, 4G ainsi que les futures

normes 5G, WiMAX) et les technologies filaires (ADSL, câble)

A noter, que pour le segment LAN/PAN, les standards Wi-Fi (IEEE 802.11) et

Bluetooth semblent être les plus couramment utilisés dans les applications liées à la santé car

très largement implantés dans les systèmes commerciaux tels que des smartphones ou des

ordinateurs. De plus, on peut remarquer que des technologies comme IEEE 802.15.4/Zigbee

ou encore l’identification par RF, « Radio Frequency Identification » (RFID) permettent

également de déployer des réseaux PAN.

L’objectif principal de la thèse est de réaliser la communication entre le dispositif

porté et le ou les points d’accès fixes dans l’environnement qui seront reliés à un ordinateur

distant permettant de traiter les données et de déterminer la dépense énergétique. On se

concentre donc sur les segments BAN et PAN et comme on l’a vu différentes technologies RF

sont possibles.

Cependant, l’utilisation des radiofréquences pourrait présenter des inconvénients en

environnement sensible tels que l’hôpital. En effet, comme le marché pour les objets

connectés de santé connaît actuellement une croissance exponentielle, on peut penser que de

nombreux dispositifs communicants à différentes fréquences radio et à différents niveaux de

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puissance seront utilisés dans un même environnement et par plusieurs personnes. Même en

respectant les normes, il y aura une augmentation des interférences électromagnétiques

induisant des perturbations ce qui limitera alors l’usage de tels dispositifs. En outre, la

question des effets potentiels des signaux RF sur la santé, en particulier l'impact à une longue

exposition même avec de faibles niveaux, reste ouverte aujourd’hui (Benson, 2013).

L’ensemble de ces éléments conduit souvent les ingénieurs hospitaliers à être extrêmement

réticents vis-à-vis du déploiement de solutions de transmissions radiofréquences dans des

environnements où une instrumentation médicale, contrainte à des niveaux de continuité de

service importants, est mise en œuvre.

Un autre moyen de communication sans fils exploré récemment dans le contexte des

BAN au sein de XLIM repose sur l'utilisation de la technologie optique sans fils (Torkestani,

2011) (Chevalier, 2015) dont les principales caractéristiques sont présentées dans le

paragraphe suivant.