Mise en œuvre d’une unité sans fil à faible
consommation pour la surveillance continue
en santé
Mémoire
Soodeh Arab Salmanabadi
Maitrise en génie électrique
Maître ès sciences (M. Sc.)
Québec, Canada
Mise en œuvre d’une unité sans fil à faible
consommation pour la surveillance continue
en santé
Mémoire
Soodeh Arab salmanabadi
Sous la direction de :
Benoit Gosselin, directeur de recherche
Younes Messaddaq, codirecteur de recherche
Résumé
L’un des sujets les plus importants concernant les signes vitaux pour personnaliser les soins de santé est la transmission ininterrompue. De ce fait, cela pourrait aider à réduire les coûts médicaux et à augmenter le confort d’un patient. Un système de surveillance de la santé à long terme et ininterrompu nécessite la technologie de communication sans fil. Les éléments les plus importants pour les capteurs sans fil sont une faible consommation énergétique, un faible coût de production, des protocoles simples et de courts retards de synchronisation entre les différents modes des émetteurs-récepteurs sans fil. Il existe différentes technologies courte portée pour les réseaux sans fil dans la bande de fréquence Wireless Body Area Networks (WBANs). Dans ce travail, nous utiliserons et comparerons deux configurations différentes pour les réseaux corporels sans fil. Dans la première configuration, le BLE (Bluetooth Low Energy) sera proposé et son taux d'erreur, ainsi que sa consommation d'énergie seront mesurés pour un système de surveillance en continu dans le domaine de la santé. Récemment BLE a annoncé des fonctionnalités plus convaincantes dans plusieurs aspects et seulement quelques études ont été publiées soutenant ces allégations sur le BLE. Les nœuds de détection (tels que le nœud de détection de la respiration, le nœud de capteur ECG (Electrocardiogram) et le nœud de capteur d'oxymétrie de pouls) peuvent être utilisés pour surveiller certains signaux biomédicaux du corps humain. Après l'acquisition du signal, il est prétraité et l'information est transmise par BLE à la station de base ou à un téléphone intelligent comme un nœud central. Le téléphone intelligent peut fournir une rétroaction médicale en temps réel aux utilisateurs par le biais de dispositifs mobiles afin d'éviter des situations dangereuses. Le système est connu pour sa très-faible consommation d'énergie. Cette nouvelle conception permet de réduire la consommation d'énergie de façon significative, ce qui est un problème essentiel qui doit être pris en compte dans les questions de WBANs. La performance de transmission pendant une expérience a été évaluée et les résultats ont montré que cette solution satisfait aux exigences des applications de soins de santé en termes de consommation d'énergie, de
latence et de taux d'erreur de paquets. Les caractéristiques d'intervalle de latence et de connexion par rapport à la perte de paquets et à la vitesse de transmission montrent qu'avec l'augmentation de l'intervalle de connexion, le taux de perte de paquets et le taux de transmission diminuent. La consommation maximale de courant pour l'architecture BLE, avec une alimentation de 3.0V, est seulement de 5mA peu importe le type d'activité radio. À titre d'exemple, la consommation du système BLE représente 50% de moins que celle d'autres solutions sans fil qui ont une portée petite ou moyenne et une faible puissance. Ainsi, on peut s'attendre à une vie prolongée pour ce système.
Dans la deuxième configuration qui est proposée, à savoir une nouvelle conception de détection textile avec capacité de communication RF, le système de communication du capteur est composé d'un tissu textile avec un système intégré qui communique à travers la bande 2,4 GHz ISM avec une bonne qualité du signal. La performance de transmission de ce nouveau textile de détection avec la communication de RF a été analysé. La caractéristique de perte de paquets par rapport à la longueur de paquets montre que pour les paquets de moins de 12 octets de long et à une distance d'un mètre, le taux de perte de paquets est inférieur à 5%.
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. 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.
Table des matières
Chapitre 1 : Introduction ... 1
1. Contexte ... 1
1.1. Objectif de cette thèse ... 2
1.2. Contribution ... 3
1.3. Structure de cette thèse ... 4
Chapitre 2 : Revue de la littérature ... 6
2. Introduction ... 6 2.1. Problème de recherche ... 9 2.1.1. Sécurité ... 9 2.1.2. Puissance ... 10 2.1.3. Portabilité ... 10 2.1.4. Interférence du réseau ... 11
2.1.5. Temps réel et surveillance continu ... 12
2.2. Communication sans fil ... 12
2.2.1. WI-FI (802.1 1a/b/g) ... 13
2.2.2. ZigBee /6LoWPAN ... 13
2.2.3. Bluetooth classique ... 14
2.2.4. ANT... 15
2.2.5. Bluetooth Low Energy ... 16
2.3. Comparaison de la technologie sans fil ... 17
2.1. Avantages et désavantages des technologies de communication sans fil ... 19
Chapitre 3 : Description générale du BLE et de la pile ... 21
3.Introduction ... 21
3.1.Notions de base du réseau utilisant le BLE ... 21
3.1.1. Radiodiffusion et observation ... 22
3.1.2. Connexions ... 22
3.2.Aperçu du protocole BLE en empilage ... 23
Contrôleur ... 24 3.2.1. Physical layer ... 24 3.2.2. Link layer ... 25 3.2.3. Host Controller Interface (HCI) – Controller side ... 27
3.2.4. Host ... 27
3.2.5. Logical Link Control et protocole d’adaptation (L2CAP) ... 28
3.2.6. ATT (Attribute Protocol) ... 28
3.2.7. GATT (Generic Attribute Profile) ... 28
3.2.8. Sécurité ... 29
3.2.9. Generic Access Profile (GAP) et ses applications ... 30
3.2.10. Application ... 30
3.2.11. 3.3.Avantages du BLE ... 31
Chapitre 4 : Conception et mise en œuvre d'un système sans fil de faible puissance ... 33
4.Introduction ... 33
4.1.1.Unité de Microcontrôleur (MCU) ... 35
4.1.2.Émetteur-récepteur sans fil BLE ... 37
4.1.3.Unité de surveillance ... 38
4.2.2.Antenne textile ... 42
4.2.3.Interface RF ... 43
4.2.4.L’unité de commande et de contrôle avec la mise en œuvre du logiciel ... 44
Chapitre 5 : Résultats expérimentaux ... 45
5.Introduction ... 45
Première configuration : résultats expérimentaux ... 45
5.1. Temps de latence dans le système ... 46
5.1.1. Estimation du taux d’erreur de paquet ... 48
5.1.2. Mesure de la consommation énergétique en différents modes ... 49
5.1.3. 5.1.3.1. Configuration de test ... 50
5.1.3.2.Mode de balayage ... 52
5.1.3.3.Mode connecté ... 52
5.1.3.4.Mode actif ... 53
5.1.3.5.Mode veille (sleep) ... 54
Deuxième configuration : résultats expérimentaux ... 56
5.2. Discussion ... 57
5.3. Chapitre 6 : Discussion et perspectives futures ... 59
Discussion ... 59 6.1. Travaux futurs ... 61 6.2. Chapitre 7 : Conclusion ... 63 7.Conclusion ... 63
Bibliographie ... Error! Bookmark not defined. Appendix A: Code du firmware pour la partie de surveillance de la station de base ... 70
Appendix B: Station de base (MSP430F5529) ... 79
Appendix C: Acquisition de données et l'unité de microcontrôleur (MCU) ... 80
Appendix D: Code du firmware pour la transmission (nRF24L01) ... 81
Appendix E: Code du firmware pour la station de base ... 83
Liste des tableaux
Tableau 1. Comparaison du BLE avec d’autres technologies... 18
Tableau 2. Avantages et inconvénients des technologies ... 20
Tableau 3. Les caractéristiques générales de Da14580. ... 37
Tableau 4. Effet taux de transmission et de PER par les paramètres d’intervalle. ... 48
Liste des figures
Figure 1. L’architecture du réseau de capteurs corporels à transmission sans fil ... 2
Figure 2. Pile de protocole BLE ... 23
Figure 3. Deux types de canaux pour les appareils BLE ... 24
Figure 4. Quatre états actifs d’une création d’une connexion ... 27
Figure 5. BLE architecture système base. ... 35
Figure 6. Schéma en bloc du microprogramme implanté sur le MSP430F5529. ... 36
Figure 7. Affichage des signaux reçus sans fil. ... 38
Figure 8. Écran principal de l’application DSPS. ... 39
Figure 9. Une vue d’ensemble du système mis en œuvre. ... 41
Figure 10. Antenne à base de fibres intégrées dans un textile tissé densément. ... 42
Figure 11. Schéma en blocs de la configuration mise en œuvre. ... 43
Figure 12. Montage pour l’analyse des caractéristiques de perte de paquets. ... 44
Figure 13. Interface graphique data rate. ... 46
Figure 14. PER vs intervalle de connexion. ... 47
Figure 15. Taux de transmission vs intervalle de connexion. ... 47
Figure 16. PER vs distance. ... 49
Figure 17. Configuration de test du circuit de mesure de courant sur la carte DA14580. ... 51
Figure 18. Le dispositif expérimental pour la mesure de la consommation énergétique. ... 51
Figure 19. Courbe consommation énergétique en mode balayage ... 52
Figure 20. Consommation courbe en mode connecté sans l’envoi de données. ... 53
Figure 21. Courbe consommation en mode actif avec dispositif périphérique. ... 54
Figure 22. Courbe de consommation en mode veille. ... 55
Figure 23. L’effet de la longueur du paquet et la vitesse de transmission d’octets sur le taux de pertes de paquets. ... 56
Liste des acronymes
AC Alternating Current
A/D Analog-to-Digital Converter
ADC Analog-to-Digital Converter
ACK Acknowledgement request
AES Advanced Encryption Standard
ATT Attribute Protocol
API Application Programming Interface
BLE Bluetooth Low Energy
CSMA/CA Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance
DSSS Direct Sequence Spread Spectrum
ECG Electrocardiogram
EMF Electric and magnetic field
FHSS Frequency hopping
GAP Generic Access Profile
GFSK Gaussian Frequency Shift Keying
GATT Generic Attribute Profile
HCI Host Controller Interface
IFS Inter Frame Space
IoT Internet of Thing
ISM Industrial Science and Medical
MD More Data
MIC Message Integrity Check
PDA Personal Digital Assistant
PSB Parked Slave Broadcast
PUD Packet Data Unit
QOS Quality of Service
RSSI Received Signal Strength Indication
SAR Specific Absorption Rate
SoC System-on-Chip
SPI Serial Peripheral Interface
TDMA Time Division Multiple Access
TI Texas Instruments
UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter
Préface
Je voudrais exprimer ma sincère gratitude à mon superviseur, Professeur Benoit Gosselin de l'Université Laval pour son soutien et ses commentaires précieux au cours des deux dernières années. Je voudrais également exprimer ma gratitude aux membres du jury, le professeur Younes Messaddeq et le Professeur Paul Fortier avoir généreusement accepté d’évaluer ma thèse.
Mes remerciements vont également au professeur Michel Duguay pour son aide et son soutien. Chaque fois que je l'ai rencontré, il a pris du temps pour avoirs des discussions scientifiques agréables avec moi. J'ai beaucoup appris de lui et je voudrais le remercier pour tout son soutien.
Mes remerciements vont également à mes amis et collègues du laboratoire, y compris sans s'y limiter Alireza Avakh Kisomi et Cheikh Latyre, tant pour leur aide, leur collaboration, leur amitié que pour faire paraître mes journées plus courtes, plus joyeuses et plus riches de nouvelles connaissances acquises lors de ce travail de maîtrise. Pour tout cela, je vous remercie. Je tiens également à remercier Tamer Elfaramawy et Charles-Gabriel Deslauriers pour leur support dans la révision de ce mémoire.
Je tiens à remercier notre technicien, Martin Gagnon pour son support continu au niveau administratif.
Je ne pourrai jamais être assez reconnaissant à mes chers parents et à mes sœurs pour leur amour sans fin et leur soutien le long du chemin. Je n’aurais jamais pu être la personne que je suis maintenant sans vous. Vous tous m’avez appuyé sans réserve pendant toutes les phases de ma vie. Je vous aime tous…
Soodeh Arab Mai 2016
Chapitre 1 : Introduction
Contexte
1.
Les circuits qui s’exécutent librement sont très demandés. Ainsi, le suivi des différents paramètres de santé en temps réel nécessite la création d'un réseau de capteurs et l’utilisation de nouvelles technologies sans fil, tels que les réseaux de corps sans fil (WBANs) [1]. Les WBANs offrent des nouvelles possibilités pour la surveillance et la détection de plusieurs paramètres de santé comme la température, la pression, la respiration et d'autres signes de maladies [2]. Les WBANs utilisent un certain nombre de capteurs miniaturisés qui sont capables de détecter le processus et de transmettre divers signaux physiologiques du patient pour la surveillance ininterrompue [3] [4]. La figure 1 montre une opération typique d'un WBAN. Dans la première étape, des nœuds de capteurs (détection de la respiration, capteur ECG et capteurs d'oxymétrie de pouls [5]) sont utilisés pour acquérir certains signaux biomédicaux à partir du corps humain. Après l'acquisition du signal, les informations sont prétraitées et transmises par une technologie sans fil tel que BLE à la station de base. L'un des blocs les plus critiques dans le réseau de capteurs en ce qui concerne la consommation énergétique est la communication sans fil [6]. En plus de la consommation énergétique, la taille, le débit de la communication et l'efficacité des réseaux sans fil sont aussi très importants. Au cours de la dernière décennie, plusieurs protocoles de communications sans fil à courte portée et à faible puissance, telles que ZigBee / 6LoWPAN sur IEEE 802.15.4, NFC, ANT, Bluetooth classique et Bluetooth BLE, qui ont été utilisés, entre autres, pour une application médicale, sont maintenant bien établis. Ces technologies sont basées sur l’internet des objets (Internet of Things, ou IoT) qui nous permet de fournir les capacités de recueillir une grande quantité de données avec une plus grande précision et une sensibilité au contexte [7] [8]. IoT implique non seulement les interactions entre les choses, mais aussi l'interaction entre les personnes et leurs appareils personnels comme les téléphones intelligents, Joysticks, ordinateurs et etc. [9] [10] [11].
ECG Sensor Node Respiration
Sensor Node
Bluetooth Low Energy
Internet
Medical Server
Emergency Services or Medical Researcher Physician Pulse Oximetry Sensor Node GPS RF WIFI portable WiMAX Base Station Wireless Body Area Network
Wireless LAN
Hospital Information system
L’architecture du réseau de capteurs corporels à transmission sans fil (WBAN) Figure 1.
Ces données apportent de nombreuses possibilités pour un large éventail de domaines d'application [12]. En particulier, ce travail se concentre sur les soins de santé personnalisés. Ainsi, les patients peuvent contrôleur leur propre santé en temps réel et transférer les données collectées aux systèmes d'information.
1.1. Objectif de cette thèse
Dans cette thèse, nous essayons de développer un suivi à long terme des soins de santé sans fil qui est capable de surveiller la santé en temps réel et de transférer les données collectées en continu aux systèmes d'information. La surveillance sans fil à long terme doit être confortable, discrète, à faible coût et de petite taille. Fondamentalement, nous cherchons à évaluer l'acceptation de la norme sans fil récente pour la surveillance de la santé dans un environnement réel. Cela permettra aux médecins de suivre à distance la progression de la maladie, à prédire et à prévenir les événements graves. Ce système peut aider les gens à mieux gérer leur santé et améliorer la qualité de leur vie.
1.2. Contribution
La contribution de ce travail est un outil de recherche de communication sans fil qui est adapté pour la surveillance de la santé à long terme. Au début, une comparaison des différentes technologies de courte portée qui sont adaptées pour les WBANs a été faite. Le système peut avoir la capacité de transmettre le signal acquis via la liaison Bluetooth à un téléphone intelligent qui prend en charge la technologie BLE. Les principales contributions de cette thèse sont dans les quatre domaines suivants :
1. Enquête sur toutes les normes de fréquence ISM. Choisir celle avec la plus faible consommation énergétique et celle avec le débit de données le plus élevé. Assurer que les normes sont adaptées pour une application médicale.
Les technologies sans fil, telles que IEEE 802.15.4 / ZigBee, Bluetooth, Bluetooth Low Energy et WI-FI, sont examinées pour trouver le meilleur modèle sans fil pour la surveillance de la santé. En outre, la comparaison entre ces différentes technologies est faite.
2. Proposer et évaluer la plateforme basée sur la technologie BLE pour la surveillance des données de santé dans les WBANs.
Comme il est mentionné, il existe différentes technologies de courte portée pour les corps de réseaux sans fil dans la surveillance de la santé. Le BLE fournit des fonctionnalités plus convaincantes dans plusieurs aspects, tels que la faible consommation énergétique et le haut débit de données qui sont essentielles à l'application médicale.
3. L'évaluation de la consommation énergétique du système selon le mode de fonctionnement.
Le BLE est une norme qui promet des capteurs sans fil peu coûteux à pile avec une faible consommation énergétique capables de fonctionner pendant des mois sur de petites piles. Afin d'obtenir une mesure de courant plus précise pour le
BLE, nous devrions tenir compte de différents aspects. Le dispositif BLE transmet seulement pour un petit pourcentage du temps total. Au cours du temps, le dispositif s'évalue par son “courant de crête“. Ce courant de crête joue un rôle dans la consommation énergétique totale. Divers modes, comme le mode de balayage sans connexion, le mode de connexion sans transmission, le mode de transmission où le dispositif fonctionne normalement et le mode veille, seront discutés plus en détail et les mesures de leurs performances seront présentées.
4. Une interface RF robuste et à faible puissance en utilisant une base de fibres multi matériaux à puce textile pour le corps communications de capteurs
Une nouvelle conception de détection textile avec capacité de communication RF est proposée en utilisant uniquement des équipements à faible coût et à faibles puissances. Le système de communication avec capteur proposé, est composé d'un tissu textile avec une fibre discrète intégrée. Elle se nomme multi matériaux et communique à travers la bande 2,4 GHz ISM avec une bonne qualité du signal. En utilisant un microprocesseur MSP430 et un module de plateforme nRF24L01 de communication RF pour la transmission de données à partir de la chemise au tissu à un poste de surveillance, l'accent est mis sur le système de communication. La caractérisation de la perte de paquets nous conduit à un système robuste pour un capteur de communication sur le corps.
1.3. Structure de cette thèse
Ce travail présente un système de surveillance de la santé à long terme qui est capable de surveiller la santé en temps réel et de transférer les données collectées aux systèmes d'information. Le chapitre 1 introduit le contexte et les objectifs de ce travail. Les sections suivantes de cette thèse sont organisées comme suit : Le chapitre 2 comporte deux parties principales. La première partie est consacrée à l'examen de la littérature, à la compréhension des réseaux de corps sans fil. Par la suite, l'importance des enjeux et des défis est résumée. De plus, les réseaux de
capteurs sans fil dans les technologies de courte portée, qui sont adaptés à la surveillance de la santé, sont présentés et comparés. Puis, dans la deuxième et dernière partie de ce chapitre, les avantages et les inconvénients de ces protocoles de communication sont discutés. Le chapitre 3 donne un bref aperçu du protocole BLE ainsi que quelques détails pour chaque couche de celui-ci.
Dans le chapitre 4, les deux technologies sans fil utilisées sont décrites. Le chapitre 5 présente les résultats de mesure de ce projet de recherche et les performances du système sont examinées. De plus, les systèmes utilisés seront détaillés. Finalement, le résumé, la conclusion et les travaux futurs liés à cette thèse sont présentés, suivis des annexes.
Chapitre 2 : Revue de la littérature
Introduction
2.
Les WBANs ont reçu une attention considérable provenant de la recherche au cours de la dernière décennie. Le BLE offre de nouvelles opportunités pour les systèmes de communication et les applications médicales. De nombreux efforts de recherche et de développement ont fait l'objet de publications. Dans ce qui suit, seulement quelques-uns des travaux les plus récents sont résumés.
Un système basé sur la technologie BLE a été conçu et a été testé en [13]. Ce système permet d'économiser près de 75% de la consommation énergétique en comparaison avec la conception précédente qui utilise le MSP430 MCU et le Bluetooth 2.1. Ce système est capable de mesurer l'ECG, la respiration et la température corporelle de l'être humain. La principale amélioration de ce système est le BLE, basée sur la puce BLE de TI (Texas Instruments) CC2540, qui joue un double rôle, à savoir le MCU et le module de transmission sans fil qui rend donc la consommation de puissance très-faible. Deux convertisseurs analogiques numériques ADS1292R sont adoptés pour acquérir des signaux potentiels du corps en vue de la surveillance de l’ECG, de la fréquence cardiaque qui est dérivée à partir des signaux ECG en déterminant les intervalles R-R, de la température du corps et de la respiration. La « Bluegiga » BLE112 est un module de Bluetooth à basse consommation basée sur la puce de Bluetooth 4.0, à un seul mode. Le CC2540 de TI est choisi comme microcontrôleur, ainsi que module de communication sans fil dans ce travail.
Un système mobile en temps réel pour surveiller les patients âgés dans un environnement intérieur ou extérieur est présenté en [14]. Le système utilise un capteur de signal biologique porté par le patient et un téléphone intelligent comme nœud central. Les données des capteurs sont collectées et transmises au serveur intelligent via GPRS/UMTS pour les analyser. Le système fournit l'architecture pour la collecte et l'analyse des données à partir d'un certain nombre de
biocapteurs et il est capable de surveiller à distance les signes vitaux, la mobilité et l'emplacement de la personne.
Une technologie BLE pour la localisation intérieure dans le cadre d'une maison intelligente où une personne âgée peut être localisée à l'aide d'un système hybride (qui combine la radio, la lumière et l'information sonore) est présentée en [15]. Dans cet article, un modèle, qui calcule le signal Received Signal Strength Indication (RSSI) à n’importe quelle distance et qui offre une précision jusqu'à 0,4 mètre en fonction de la configuration de déploiement, est proposé. La technologie BLE offre des possibilités pour une immense amélioration dans le positionnement intérieur. Dans ce travail, un système de localisation hybride est développé. Cela combine l'acoustique, la radio et la lumière afin de suivre la position d'une personne âgée dans une maison intelligente à tout moment.
Les rayonnements de type électromagnétique (EMF) générés lors de la transmission de paquets ont une influence négative sur la santé humaine. Le Specific Absorption Rate (SAR) est défini comme étant une mesure de la quantité d'énergie à radiofréquence absorbée par les tissus humains en unités de masse. L'algorithme d'optimisation est utilisé en [16] pour découvrir la position optimale du nœud de relais de sorte que les nœuds de capteurs peuvent envoyer des paquets au noyau par l'intermédiaire du nœud de relais à travers un chemin ayant la plus faible SAR et ainsi le taux de succès de transmission peut être amélioré.
Les résultats d'analyse de la performance d'un système de capteur BLE qui est basé sur l'émetteur-récepteur CC2540F de TI ont été présentés en [17]. Les résultats peuvent être utilisés pour des recherches importantes comme les calculs de durée de vie ou des modèles de simulation BLE. Les résultats montrent que BLE est très intéressant en particulier pour le système de capteurs sans fil alimentés par un collecteur d'énergie.
La consommation énergétique de BLE, ZigBee et des protocoles ANT (pour un scénario de sommeil cyclique) a été analysé en [18]. Pour tous les intervalles de sommeil mesurés, BLE atteint la plus faible consommation énergétique (10,1 µA, 3,3 V offre à intervalle de 120 s), par rapport à ZigBee (15,7 µA) et ANT (28,2 µA). La plupart des différences de consommation énergétique peuvent être
attribuées au temps que prend un nœud pour se connecter au centre après le réveil et l'utilisation de sommeil entre les paquets RF individuels.
Le BLE est présenté en [19] pour la surveillance à distance pour l'ECG et pour l’évaluation de sa performance axée sur le débit, le retard de bout en bout et le taux d'erreur de paquet. Les données ECG nécessitent des transmissions continues et en temps réel, ce qui les rend particulièrement difficiles pour les dispositifs ayant des ressources limitées. Dans ce système, un module de BLE112 de Bluegiga et un dongle BLE USB sont utilisés pour WBAN. Le nœud de capteur BLE112 (agissant comme un esclave) de Bluegiga est utilisé pour mesurer les données ECG d'un patient et les transmettre à un dongle BLE (agissant en tant que maître) relié à Cu-box (plateforme embarquée agissant comme une passerelle), qui prévoit une connectivité à un PC à distance via une connexion Wi-Fi et 3G/4G. La performance du système est évaluée expérimentalement et les résultats ont montré un bon potentiel de cette plateforme BLE proposée pour répondre aux principales exigences de qualité de service des applications médicales.
Une vue d'ensemble des technologies du système portable avec un accent sur la technologie Bluetooth à faible énergie est présentée en [20]. Les différents appareils médicaux portables commerciaux offerts avec BLE sont résumés dans le présent document et donnent un aperçu des méthodes de développement, y compris le matériel et la conception de logiciels. Bien que le taux de transmission de données ne soit pas aussi élevé pour le Bluetooth normal, la technologie BLE dans les systèmes portables de soins de santé est cruciale pour comprimer le volume de l'appareil et prolonger la durée de vie de la pile.
Une nouvelle structure pour un système implantable de surveillance du glucose alimenté à distance est présentée en [21]. L'unité implantable est alimentée à distance par une unité externe par couplage inductif. L’émetteur sans fil implantable utilise le protocole de communication à faible puissance et faible consommation énergétique Bluetooth. Après que la mesure du glucose est obtenue, elle sera ensuite transmise au téléphone mobile ou au PDA du patient à proximité.
Une équipe sous la supervision des professeurs Younès Messaddeq et Benoit Gosselin à l’Université Laval a créé un nouveau textile intégrant des fibres multimatériaux discrètes qui communiquent à travers les réseaux sans fil de 2,4 GHz avec une excellente qualité de signal [22]. La fibre agit à la fois comme capteur et comme antenne et peut être tissée avec de la laine ou du coton. La qualité du signal de ces fibres textiles est comparable à celui des antennes commerciales. Ces fibres multimatériaux représentent une approche rentable et peu invasive au capteur de tissus et textiles pour la bio détection connectée en temps réel aux infrastructures de communications mobiles, adaptées à une variété d'applications de santé et de sciences de la vie.
2.1. Problème de recherche
Dans le développement d’un réseau de capteurs sans fil pour un système de surveillance de la santé de la vie réelle, un nombre d’aspects, tels que la fiabilité, la puissance, la portabilité, la sécurité, le réseau, les interférences, le temps réel et la surveillance continu doivent être envisagés. Dans ce qui suit, l’importance de ces aspects sera mentionnée.
2.1.1. Sécurité
Un des problèmes les plus graves dans un système de surveillance de la santé sans fil est la sécurité et la fiabilité. Les systèmes sans fil doivent mesurer avec précision et transmettre à temps les données d’un examen médical et les soins de santé pour le suivi et l’analyse des données des patients. Les problèmes de fiabilité sont automatiquement présents lorsque des données sont créées et mesurées (les communications de données et l’analyse des données) [23]. Le principal problème de la mesure des données et de l’analyse des données est sur le matériel et le logiciel pour détecter et analyser les données sans aucune erreur. La communication de données a besoin de plus d’attention que l’autre parce qu’il est question de communication entre un nœud de capteur et le coordinateur ou le serveur central de surveillance. Les auteurs ont proposé différentes techniques
pour une communication sécurisée, par exemple [24] ils ont fait une transmission de données sécurisée en utilisant un protocole de retransmission. Un dispositif capteur envoie les données avec la demande Acknowledgement (ACK). Si le nœud de capteur ne reçoit pas de l’ACK à partir d’un appareil mobile ou d’un coordinateur dans les limites de la durée d’attente d’ACK, il transmet à nouveau la même trame de données jusqu’à ce qu’il reçoive l’ACK de l’appareil mobile. Pour les fonctions de sécurité du système en [25], ils ont proposé l’algorithme Elliptic Curve Cryptographic, l’authentification mutuelle et le groupe de protocoles d’accord clé.
2.1.2. Puissance
La question de la puissance est un autre problème pour toutes sortes d’applications WSN. Puisque la plupart des appareils WSN sont basés sur pile, l’un des principaux défis consiste à optimiser leur consommation énergétique. Certaines applications WSN ne nécessitent pas la pile au contraire, ils utilisent la puissance de leur lecteur, c.-à-d., la rétrodiffusion. Cependant, ils ont limité la portée de communication et ne peuvent transporter que des données de très petite taille. D’autres applications utilisent les systèmes de récolte d’énergie pour WSN tels qu'une cellule solaire [26], en utilisant des dispositifs piézo-électriques [27]. Mais ces systèmes de récolte d’énergie présentent des problèmes tels que leur pouvoir dépend de leur environnement et ils ont tendance à être surdimensionnés. L’énergie des protocoles efficaces, pour WSN en concevant des protocoles MAC économes en énergie, est présentée à la référence [28]. Pour réduire, la consommation énergétique [29] ils ont proposé de contrôler les périodes en mode vieilles ou de sommeil de nœuds de capteurs.
2.1.3. Portabilité
Un réseau de capteurs sans fil doit être fonctionnel, robuste, de petite taille et à faible coût. Pour cette raison, la plupart des PANS (Personale Area Networks) utilisent un petit système à puce qui comprend un microcontrôleur et un
émetteur-récepteur RF ou un simple MCU, comme le MSP430F5529 et l’Atmel avec un émetteur-récepteur externe comme le nRF24L01 et le BLE.
De nos jours, il existe des systèmes de biocapteurs portables tels que les textiles intelligents ou une chemise à puce qui ont été conçus et qui sont faciles et agréables à porter pour la surveillance de la santé. Ils peuvent transmettre des données mesurées d'une situation médicale pour le suivi et l’analyse des données provenant de patients [30] [31] [32].
2.1.4. Interférence du réseau
La qualité de service (Qualité of service, QOS) dans le système médical est critique et le chevauchement de fréquences entre les réseaux sans fil peuvent provoquer des interférences et réduire la fiabilité de communication. Dans les environnements de WSN, différentes techniques de communication, tels que les réseaux étendus et les réseaux locaux sans fil sont utilisés ensemble dans un même réseau (industriel, Science et médicale [ISM]). Par conséquent, ils peuvent conduire à une interférence de réseau et à une congestion des données ou à une collision qui peut se produire lors de la transmission des données en continu en temps réel. La connectivité réseau intermittente et la perte de paquets entraîneront un abaissement du débit du réseau et une augmentation de la consommation énergétique. Tel est le problème de l’interface réseau. L’IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.15.1 (Bluetooth), IEEE 802.15.4 (ZigBee) et BLE partagent tous le même 2,4 GHz de bande ISM. La question de l’interférence et la coexistence entre Bluetooth et WLAN a été présentée en [33─35]. Les problèmes d’interférence entre IEEE 802.15.4/ZigBee et WLAN sont décrits en [36], [37]. Pour le débit du réseau et la protection contre les interférences, BER (Bit Error Rate), PER (taux d’erreur de paquet), RSSI, ou SINR (Signal Ratio interférence du bruit) sont mesurés et analysés sur différents papiers. Une variété de sources d’interférence et de leurs effets sur les communications ZigBee est explorée en [38]. Ce travail présente un algorithme de prédiction d’interférences pour explorer les impacts du Wi-Fi et des fours micro-ondes sur les communications ZigBee sur la base des observations du taux d’erreur de paquet.
2.1.5. Temps réel et surveillance continu
Certains signes vitaux, tels que le son du battement cardiaque et l’ECG, doivent être surveillés en continu et en temps réel. Étant donné que la fréquence cardiaque est rapportée périodiquement, un dispositif de détection du rythme cardiaque doit toujours être allumé et doit aussi transmettre en continu avec de faible retard de transmission et de faible latence pour la surveillance en temps réel. Si un dispositif de détection peut transmettre des données périodiques de façon discontinue ou de transmettre des données en continu avec beaucoup de temps de retard, il est difficile pour les médecins de surveiller en cas d’attaque pendant l'ECG d’un patient.
Par conséquent, un suivi continu et en temps réel sont deux choses essentielles dans le traitement d’un patient. En [39] on présente une chemise à puce, conçue pour permettre de mesurer les signaux ECG pour la surveillance de la santé en temps continu et réel d’un patient.
2.2. Communication sans fil
De nombreuses applications sans fil de faible puissance sont offertes sur le marché. En ce qui concerne le choix d’une technologie sans fil appropriée dans cette section, un aperçu et une comparaison des technologies émergentes orientées vers le soutien des dispositifs à faible puissance et à faible consommation d’énergie pour des applications médicales ont été fournis. La portée de communication de la technologie NFC est limitée à la fois par l’émetteur et par le récepteur qui ont besoin d’être dans la ligne de visibilité avec moins de 1 m de distance afin d’obtenir la communication souhaitée [38]. ANT a des faibles caractéristiques de coexistences et a des problèmes d’interférence. Un choix typique reste ZigBee /6LoWPAN sur IEEE 802.15.4 des solutions basées dans WBANs, et les technologies BLE proposés récemment en raison de leur faible consommation énergétique.
Dans cette section, quatre technologies normales sans fil, ex., IEEE 802.11 a/b/g (Wi-Fi), IEEE 802.15.1 (Bluetooth classique), IEEE 802.15.4 (ZigBee) et BLE
sont brièvement passées en revue pour leurs applications dans les systèmes sans fil spécialisés dans la surveillance de la santé.
2.2.1. WI-FI (802.1 1a/b/g)
Le Wi-Fi est le terme général pour tout type de réseau IEEE 802.11 et est un moyen populaire pour fournir un accès Internet sans connexion filaire. Des exemples de réseaux 802.11 sont le 802.11a (jusqu’à 54 Mb/s), le 802.11 b (jusqu’à 11 Mb/s) et le 802.11 g (jusqu’à 54 Mb/s). Trois normes 802.11 diffèrent dans leur bande passante, leur couverture et dans le soutien de la sécurité qu'elles offrent. Le WI-FI utilise la technologie Direct Sequence Spread Spectrum (DSSS) pour diminuer la diaphonie avec d’autres communications dans la même fréquence [39].
Le 802.11a est adapté pour les applications vocales multimédias, vidéo et images en grande partie dans les environnements densément peuplés d'utilisateurs. Cependant, il offre une gamme relativement plus courte que le 802.11b, ce qui nécessite de ce dernier moins de points d’accès pour la couverture des grandes surfaces. La norme 802.11g est remplacée par le 802.11 b en raison de sa bande passante plus élevée et une meilleure sécurité.
2.2.2. ZigBee /6LoWPAN
IEEE 802.15.4 définit les caractéristiques des deux types de couches physiques et de MAC. Cependant, ZigBee est construit sur la norme IEEE 802.15.4, qui définit les spécifications de la couche réseau et fournit un cadre pour la programmation de l’application dans la couche d’application. Ce sont des protocoles basés sur des standards et peuvent être utilisés pour développer de faible taux de données, une faible complexité, une faible consommation énergétique, et des WSN’s à faible prix. ZigBee utilise un signal radio de type DSSS et la couche physique (PHY) prend en charge trois bandes radio, une bande ISM 2,4 GHz avec 16 canaux (à 250Kbps), une bande 915 MHz ISM (Amérique) avec 10 canaux (à 40kbps), et la bande 868 MHz (Europe) avec un seul canal (à 20kbps).
Zigbee spécifie un algorithme pour éviter les collisions en utilisant la technologie accès multiple avec écoute de porteuse (CSMA /CA). La couche MAC contrôle l’accès au canal radio. L’IEEE 802.15.4 PHY utilise une séquence directe de codage à étalement de spectre pour réduire les pertes de paquets en raison du bruit et des interférences. En outre, il prend en charge des options de deux modulations de la couche PHY. Le PHY 868/915 MHz adopte un Binary Phase-Shift Keying (ou BPSK, soit « modulation par changement de phase »), alors que le PHY 2,4 GHz utilise un décalage en Quadrature Phase-Shift Keying (QPSK). Un ZigBee définit trois types de dispositifs : coordinateur (MAC pleine fonction Devise-FFD), routeur (MAC FFD) et dispositif d’extrémité (MAC Fonction réduite Devise — RFD). Un FFD peut servir de coordinateur du réseau ou d’un dispositif régulier. Il peut communiquer avec d’autres appareils. Un RFD est destiné aux applications qui sont simples, comme un interrupteur ou un dispositif de capteur simple. Il ne peut communiquer qu’avec FFD. Un coordinateur de ZigBee est un nœud de station de base qui déclenche automatiquement la composition du réseau et contrôle le processus global du réseau. Il a besoin d’une grande mémoire et de puissance de traitement élevée. Un routeur ZigBee est également un FFD qui relie les groupes ensemble et supporte le multi sauts pour la transmission de paquets. Il peut se connecter avec d’autres routeurs et terminaux périphériques. Les terminaux ZigBee ne peuvent communiquer avec un FFD. Il possède des fonctionnalités limitées.
Théoriquement, ZigBee peut supporter jusqu’à 65.536 nœuds. Pour plus de sécurité, il utilise 128-bit Advanced Encryptions Standard (AES) et l’authentification. La gamme de transmission est de 10 m à 75 m, en fonction de la puissance de sortie d’une application et les caractéristiques environnementales. La pile des appareils ZigBee est censée avoir une durée de vie allant de plusieurs mois à plusieurs années [40].
2.2.3. Bluetooth classique
Bluetooth (IEEE 802.15.1) est caractérisé par un faible coût, une communication sans fil à faible niveau de fréquence radio de la puissance pour les
communications à courte distance. La pile de protocoles Bluetooth définit de nombreux composants au-dessus des couches PHY et MAC et est compliquée en comparaison avec d’autres piles réseau IEEE. Bluetooth fonctionne sans licence 2,4 GHz dans la bande ISM, occupant 79 canaux. La couche PHY utilise des sauts de fréquence de codage à étalement de spectre pour réduire les interférences et la décoloration. Le débit maximum est jusqu’à 3 Mb/s en mode de débit de données amélioré. La technologie de connectivité de base Bluetooth est le piconet basé sur une topologie de réseau en étoile. Il se compose d’un dispositif maître qui communique directement avec jusqu’à sept réseaux périphériques esclaves actifs. Dans un piconet réseau donné, tous les appareils sont synchronisés en utilisant le modèle d’horloge et de saut de fréquence du maître, et les dispositifs esclaves communiquent uniquement avec leur maître dans la façon unique [41].
2.2.4. ANT
ANT définit une pile de protocoles de communication sans fil qui permet au matériel fonctionnant dans la bande ISM 2,4 GHz de communiquer en établissant des règles pour la coexistence, la représentation des données, la signalisation, l'authentification et la détection d'erreurs. Il est conceptuellement similaire à BLE. Cependant, BLE et ZigBee / 6LoWPAN fournissent une meilleure coexistence avec d'autres normes sans fil (telles que le Wi-Fi) dans leur voisinage que l'ANT. Parce que BLE utilise le saut de fréquence (FHSS) et ZigBee utilise le spectre de propagation de séquence directe (DSSS), les deux sont capables d'atténuer les interférences, avec les émetteurs RF voisins. ANT a des caractéristiques de coexistence faible et des problèmes d'interférence en raison de sa méthode d'accès de canal basé sur TDMA qui est caractérisée par de très petits intervalles de temps. Il surveille l'interférence de canaux en utilisant une technique appelée réseaux isochrones adaptatifs.
2.2.5. Bluetooth Low Energy
Le BLE est une nouvelle norme sans fil qui est utilisée pour l’IOTs. Le BLE permet de transmettre des données sans qu’il soit nécessaire d’établir une connexion. Par conséquent, le retard de l’appariement et l’établissement de la communication sont supprimés. Les capteurs sont capables de rester endormis et de se réveiller seulement quelques millisecondes pour transmettre périodiquement des données ou pour un événement particulier. Cette fonction BLE est adaptée pour les applications qui nécessitent une longue durée de vie, telle que l’application médicale [19]. Bien que le IEEE802.15.4 a été adopté par les différents chercheurs et développeurs dans une variété de dispositifs matériels, cette technologie n'a cependant jamais été intégrée dans les téléphones portables. Il est prévu que BLE sera inclus dans des milliards d’appareils dans le monde entier dans les prochaines années.
Une pile BLE typique se compose de deux grandes parties, l’une est appelée la partie du contrôleur tandis que l’autre est appelée la partie hôte. Une partie de contrôleur se compose généralement de la couche physique et de la couche de liaison (mis en œuvre sous la forme d’un SoC [System-on-Chip] avec une radio intégrée), tandis que la partie hôte fonctionne sur un processeur d’application et inclut des fonctionnalités de couche supérieure constituée par Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP), Attribut contrôle (ATT), Generic Attribut Profile (GATT), le protocole de gestion de la sécurité et de Generic Access Profile (GAP). La communication entre l’hôte et le contrôleur est normalisée comme Host Controller Interface (HCI) [41].
La couche de liaison en BLE définit les dispositifs soit comme un maître soit comme un esclave, qui agissent en tant qu’initiateur et annonceur respectivement, lors de l’établissement de la connexion. Un maître peut se connecter à autant d’esclaves que possible, formant ainsi un réseau en étoile. Dans les opérations de routine de base, les esclaves se mettent en mode veille et s’activent, périodiquement, à l’écoute de tous les paquets du maître. C’est le maître, le plus souvent, qui détermine les périodes de sommeil/réveil des esclaves.
En comparaison avec Bluetooth classique et d’autres technologies à faible puissance, telles que 6LoWPAN, BLE a été spécialement conçu pour atteindre une faible consommation énergétique. Les optimisations du BLE, pour parvenir à une faible consommation énergétique, sont concentrées sur un protocole simplifié qui annonce l’analyse et le temps requis avant de transmettre des données. Cette simplification a été atteinte en réduisant les 16 canaux disponibles à seulement 3 canaux lors de l'annonce. Lorsque les dispositifs BLE sont connectés, ils peuvent faire un transfert de données sur un canal de données spécifique. Cette action est appelée « événements de connexion ». Le temps entre deux événements de connexion est défini comme l’intervalle de connexion qui est le paramètre est le plus important pour la latence de la communication et de la consommation énergétique. BLE offre une connexion plus rapide avec la possibilité de se connecter automatiquement à d'autres appareils qui s'affichent comme étant disponibles lors du balayage [42]. Tout dispositif qui transmet des paquets d'annonces est appelé advertiser (annonceur). La transmission de paquets à travers les canaux d'annonces a lieu à des intervalles de temps et l'annonceur utilise séquentiellement chaque canal d'annonces pour la transmission de paquets. Les appareils qui ne visent qu’à recevoir des données qu'à travers ces canaux sont appelés Scanners.
2.3. Comparaison de la technologie sans fil
Une comparaison entre les caractéristiques de BLE et d’autres technologies sans fil, telles que le WI-FI (802.11 a/b/g), Bluetooth classique (IEEE 802.15.1), ZigBee /6LoWPAN (IEEE 802.15.4), ANT et BLE est indiquée dans le tableau 1. Le Bluetooth classique peut fonctionner sur une pile bouton, sa consommation de puissance est relativement élevée et la durée de vie de sa pile est limitée et le rend impropre à l’application de surveillance médicale ininterrompue et de capteurs implantables, impose les contraintes sur le nombre d’appareils appariés par nœud maître (avec un maximum de huit nœuds). En outre, BLE a des retards de réveil faible (latence) qui est généralement autour de trois secondes, ce qui est la plus
Comparaison du BLE avec d’autres technologies. Tableau 1. Caractéristiques techniques Wi-Fi (802.1 1a/b/g) Bluetooth Classique ZigBee/6LoWPAN (IEEE 802.15.4) ANT+ BLE Fréquence de la radio 2,4 GHz, 5 GHz 2,4 GHz 868/915 MHz, 2,4 GHz 2,4 GHz 2,4 GHz Portée 100 m ~ 10-100 m 10 -100 m 30 m ~ 150 m Symbole du taux 54 Mb/s (802.1 1a/g) 11 Mb/s (802.1 1b) 1 – 3 Mb/s 250 kb/s 1 Mbps 1 Mb/s Débit d’application 11 Mb/s 0,7 – 2,1 Mb/s < 0,1 Mb/s 0,5 Hz to 200 Hz 0,27 Mb/s
Nœuds connectés 2007 7 65,000 65533 > 2 milliard
Modulation BPSK, QPSK COFDM, CCK, M-QAM GFSK/DQPSK BPSK (+ ASK), O-QPSK GFSK GFSK Robustesse Dynamique Freq. Sélection, transmission contrôle de puissance (802.1 1b) FHSS Dynamique Freq. Sélection - Étalement de spectre par saut de fréquence, 24 bit CRC Courant de pointe maximum 400 mA 30 mA 30-40 mA 17 mA 12-15 mA
Topologie BSS Éclatement Étoile ou maillage
Étoile, point à point maillage, arbre, Étoile, point à point Bande passante 22 MHz 79 canaux, sur une largeur de 1 MHz 0.3/0.6 MHz, 2 MHz 1 MHz 40 canaux, sur une largeur de 2 MHz Latence - > 100ms 20-30ms Zero < 2,5 ms Sécurité RC4 cryptage de flux 9WEP), AES cryptage de blocs
56 To 128 bits 128 bits AES
AES-128 and
64-bit key 128bits AES CCM Application principale - Réseaux de bureau - Accueil Réseau - WLAN - Remplacer les câbles Ethernet -Applications de voix -Remplacement de câble à courte distance -Contrôle des capteurs -Télécommande -Automatisation à grande échelle -Santé, domotique et applications industrielles. -Électronique de masse -Santé et remise en forme -Téléphones portables
grande différence entre Bluetooth classique et BLE. Donc, BLE fournit une plateforme de communication qui se caractérise par une consommation énergétique beaucoup plus faible. Cette caractéristique permet à l’appareil de fonctionner plus longtemps sans être rechargé, et en outre, le format de l’appareil est beaucoup plus petit en raison de la diminution de la taille de la pile [43] [44]. ANT possède des caractéristiques de coexistence faible et des problèmes d'interférence. Les technologies les plus appropriées restent ZigBee /6LoWPAN sur IEEE 802.15.4 et les technologies BLE proposées récemment qui offrent une meilleure coexistence avec d’autres normes sans fil. Puisque le BLE utilise la fréquence d’adaptation (FHSS) et ZigBee utilise le spectre de seéquence direct DSSS, les deux sont capables d’atténuer les interférences [45]. Cependant, le BLE est une nouvelle génération de technologies et prétend offrir de nombreuses nouvelles fonctionnalités intéressantes, tels qu’un faible coût, une faible puissance, en plus d’une mise en œuvre facile, fiable et sécuritaire. En outre, il doit être largement adopté par de nombreux fabricants de téléphones mobiles dans le monde entier et ainsi être inclus dans les appareils mobiles de la vie quotidienne.
2.1. Avantages et désavantages des technologies de
communication sans fil
Dans le tableau 2 les avantages et les désavantages des technologies de
communication sans fil (WI-FI [802.1 1a/b/g], Bluetooth classique
[IEEE 802.15.1], IEEE 802.15.4 [ZigBee /6LoWPAN] et BLE) sont résumées. Le BLE est une nouvelle norme conçue pour une nouvelle décennie de produits connectés. ZigBee consomme une puissance faible ; BLE utilise une puissance encore plus faible et il possède une technologie améliorée en plus d'avoir une présence imposante sur plusieurs marchés existants : les téléphones mobiles, les automobiles, l’électronique grand public, et l’industrie de l’ordinateur. Le prochain chapitre de ce document porte sur la norme sans fil BLE, car elle est plus avantageuse pour l'application proposée.
Avantages et inconvénients destechnologies Tableau 2. Avantages /Désavantages WI-FI (802.1 1a/b/g) Bluetooth classique (IEEE 802.15.1) ZigBee /6LoWPAN (IEEE 802.15.4) ANT BLE
Avantages - Dominant Tech. WLAN. - Simplicité de synchronisation - Fréquence d’adaptation - Tolérant à l'environnement sévère - Technique PAN dominante -Réseau statique - Faible consommation énergétique - Extension de taille réseau - Commande / Capteur - Modes faible consommation énergétique et sommeil profond - - Protocole simple - - Technique de TDMT - Faible consommation énergétique
- Haut débit de données - Simplicité de synchronisation - Fréquence d’adaptation - Tolérant à un environnement hostile - Simple modèle d'interface (GATT) - Connexions rapides Désavantages - Consommation énergétique importante - Interface avec Wi-Fi - Consommation énergétique moyenne - Faible bande passante -Faible bande passante -Faible vitesse de transmission des données -Courte portée - -Faiblesse de la coexistence et problèmes d'interférence
- Faible bande passante - Compatibilité
Chapitre 3 : Description générale du BLE et de la
pile
Introduction
3.
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. Comme discuté dans le dernier chapitre, 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.
L'objectif de ce travail est d'introduire la technologie sans fil BLE et de rendre compte de ses performances lors d'une expérience dans laquelle des flux de données médicales ont été transmis en utilisant le BLE. Dans ce chapitre, les différentes couches du BLE sont présentées afin de connaître la manière d'accéder aux données via le Generic Attribut Profile (GATT) et celle pour transmettre différents paquets à la couche de liaison à travers l'interface HCI.
3.1. Notions de base du réseau utilisant le BLE
Un périphérique BLE communique de deux méthodes (radiodiffusion et connexion). Bien que chaque méthode ait ses propres avantages et limites, elles ont toutes les deux des procédures établies par le GAP.
3.1.1. Radiodiffusion et observation
Lorsque vous utilisez la radiodiffusion sans connexion, un dispositif BLE envoie des données vers tout appareil de balayage ou récepteur qui est à portée d’écoute acceptable. Essentiellement, ce mécanisme permet à un périphérique BLE d’envoyer des données sur un chemin à quelqu’un ou à quelque chose qui est capable de capter ces données transmises. Radiodiffusion définit deux rôles distincts :
Diffuseur : Envoie des paquets pour la connexion périodiquement à quiconque est
prêt à les recevoir.
Observateur : Numérise à plusieurs reprises les fréquences préréglées pour
recevoir tous les paquets pour la connexion qui ont été diffusés.
La radiodiffusion est le seul moyen que possède un dispositif pour transmettre des données à plus d’un poste en même temps. Les données diffusées sont envoyées en utilisant les caractéristiques employées lors de l'anonce par le système BLE.
3.1.2. Connexions
Pour transmettre des données dans les deux directions en BLE, une connexion doit être utilisée. Une connexion en BLE n’est rien de plus qu’un échange périodique de données sur certains points précis dans le temps (les événements de connexion) entre les deux paires BLE impliquées. En règle générale, les données ne sont envoyées et reçues que par les deux paires BLE impliquées dans la connexion sans qu'aucun autre dispositif n'intervienne. Les connexions jouent deux rôles distincts :
Central (maître) : Analyse de façon répétitive les fréquences BLE préétablies
pour les paquets d’annonçant la connexion et, lorsqu’approprié, initie une connexion. Une fois la connexion établie, le centre gère la synchronisation et commence l'échange de données périodiques.
Périphérique (esclave) : Un dispositif qui envoie des paquets annonçant la
Pile de protocole BLE [45]. Figure 2.
connexion active, le périphérique suit la synchronisation et les échanges de données en communiquant régulièrement avec elle.
3.2. Aperçu du protocole BLE en empilage
La figure 2 montre le schéma de principe de la couche de protocole BLE. La couche de protocole BLE contient deux parties principales : la partie Controller (contrôleur) et la partie Host (hôte). La partie contrôleur comprend une couche physique et une couche de liaison et est généralement mise en œuvre comme un petit SOC avec une radio intégrée, et une autre partie principale est l’hôte qui fonctionne sur un processeur d’application. L'hôte inclut des fonctionnalités de la couche supérieure, par Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP), Attribute Protocol (ATT), Generic Attribute Profile (GATT), Security Manager (SM) et Generic Access Profile (GAP). L'Host Controller Interface (HCI) permet d'établir une communication entre l’hôte et le contrôleur. La couche d’application qui n'est pas définie par la spécification Bluetooth peut être utilisée au-dessus de l’hôte. Un aperçu des caractéristiques de chaque couche est présenté ci-dessous :
Contrôleur
3.2.1.
Le contrôleur inclut toutes les fonctionnalités de bas niveau nécessaires pour que le dispositif BLE communique ; il est composé de la Physical Layer (PHY), la couche de liaison et le Host Controller Interface (HCI).
Physical layer
3.2.2.
Comme mentionné précédemment, le BLE fonctionne en bande de 2,4 GHz ISM et définit 40 canaux de fréquence radio (3 canaux d'annonces et de 37 canaux de données) avec 2 MHz qui représentent la largeur du canal. Les canaux d'annonces sont utilisés pour la détection des périphériques, l’établissement de la connexion et la transmission de radiodiffusion tandis que les canaux de données sont utilisés pour une communication bidirectionnelle entre les périphériques connectés. Pour les interférences et les problèmes de propagation sans fil (telles que la décoloration et la propagation multichemin), une fréquence d’adaptation au mécanisme de saut est utilisé. Ce mécanisme sélectionne l’un des 37 canaux de données disponibles pour la communication pendant un intervalle de temps donné. Tous les canaux physiques utilisent une modulation nommée Gaussian Frequency Shift Keying (GFSK) qui est simple à mettre en œuvre. L’indice de modulation se situe dans la plage comprise entre 0,45 et 0,55, ce qui permet une réduction de la consommation de puissance.
Deux types de canaux pour les appareils BLE [45] Figure 3.
Link layer
3.2.3.
La couche de liaison commande l’état RF de l’appareil et dispose des interfaces directes avec PHY. Il y a six états possibles de la couche liaison (Standby, Advertiser, Scanner, Initiate, Master et Slave) pour un dispositif BLE.
Les périphériques peuvent annoncer pour une variété de raisons. Quand un appareil a uniquement besoin de diffuser des données, il transmet les données en paquets d'annonces à travers les canaux prévus à cet effet. Tout dispositif qui transmet des paquets d'annonces est appelé advertiser. La transmission de paquets à travers les canaux d'annonces a lieu à des intervalles de temps appelé advertising Events. Dans un Advertising Events, l'advertiser utilise séquentiellement chaque canal d'annonces pour la transmission de paquets. Les appareils qui ne visent qu’à recevoir des données qu'à travers ces canaux sont appelés Scanners. Pour la communication bidirectionnelle de données, les appareils doivent se connecter les uns aux autres. Cette connexion est une procédure asymétrique. Un advertiser annonce à travers les canaux qu’il est un dispositif connectable, tandis que l’initiator (l’autre dispositif) est à l’écoute de ces annonces. Lorsqu’un initiator trouve un advertiser, il peut transmettre un message de demande de connexion à l’initiator, ce qui crée une connexion point à point entre les deux appareils. Les deux appareils peuvent alors communiquer en utilisant les canaux de données physiques.
Pour la connexion créée, le BLE définis deux rôles de l’appareil (maître et esclave) dans la couche de liaison qui agissent en tant qu’initiateur et annonceur lors de la création de la connexion. Le réseau composé par un maître et ses esclaves (un maître peut gérer plusieurs connexions simultanées avec différents esclaves, alors que chaque esclave ne peut être connecté qu’à un seul maître) qui est appelé un piconet suit une topologie en étoile. Actuellement, un dispositif BLE ne peut appartenir qu’à un seul piconet.
Les esclaves sont en mode veille par défaut et se réveillent de temps en temps pour écouter les réceptions de paquets possibles du maître. Le maître détermine les cas où les esclaves sont nécessaires pour écouter et coordonne ainsi l’accès au support en utilisant un régime nommé accès multiple par répartition dans le temps
(TDMA). Le maître fournit également l’esclave avec les informations nécessaires pour l’algorithme de saut de fréquence (contenant la carte des canaux de données à utiliser) et pour la gestion des connexions. Les paramètres liés à la gestion d’une connexion sont transmis dans le message de demande de connexion et peuvent être mis à jour lors de la connexion pour diverses raisons (par exemple, en utilisant une nouvelle carte du canal de données en raison d’un changement du motif d’interférence).
Une fois que la connexion établie, la couche physique se compose d'événements de connexion qui sont non simultanées. Tous les paquets sont transmis en utilisant la même fréquence de canal de données au cours de cet événement de connexion. Lorsque l’esclave reçoit un paquet, il envoie un paquet au maître en réponse. Cependant, le maître n’est pas obligé d’envoyer un paquet à la réception d’un paquet en provenance de l’esclave. Au minimum, un espace d’Inter Frame Space (IFS) de 150 ms doit passer entre la fin de la transmission d’un paquet et le début de la suivante. Alors que maître et esclave continuent d’alterner dans l’envoi de paquets, l’événement de connexion est considéré comme ouvert. Les canaux de paquets de données comprennent un bit nommé More Data (MD) qui signale si l’expéditeur a plus d’informations à transmettre. L’événement de connexion sera fermé si aucun des appareils n’a de données à transmettre et que l’esclave n’est pas obligé d’écouter jusqu’au début de l’événement de connexion suivante. Pour un nouvel événement de connexion, le maître et l’esclave utilisent une nouvelle donnée de fréquence de canal, qui est calculée en utilisant l’algorithme de saut de fréquence.
Quatre états actifs d’une création d’une connexion [45]. Figure 4.
Host Controller Interface (HCI) – Controller side
3.2.4.
Le HCI est une interface du côté du contrôleur qui fournit un moyen de communication à l’hôte via une interface standardisée ; la spécification Bluetooth définit HCI comme un ensemble de commandes et d'événements pour que l’hôte et le contrôleur interagissent les uns avec les autres, avec un format de données en paquet et un ensemble de règles de contrôle de flux et d’autres procédures. En outre, la spécification définit plusieurs transports, dont chacun augmente le protocole du HCI pour un transport physique spécifique (UART, USB, SDIO, etc.). Ceci peut être réalisé soit par l’intermédiaire d’un logiciel d'API, ou par une interface matérielle, y compris des logiciels comme UART, SPI, etc.
Host
3.2.5.
Le bloc hôte comprend les couches suivantes, du côté du HCI, Logical Link Control et Adaptation Protocol (L2CAP), Attribute Protocol (ATT) et Security Manager (SM) et enfin le Generic Attribute Profile (GATT) et Generic Access Profile (GAP).
Logical Link Control et protocole d’adaptation (L2CAP)
3.2.6.
Un protocole optimisé et simplifié sur la base du Bluetooth L2CAP classique est utilisé dans le BLE. L’objectif principal du L2CAP dans BLE, est de multiplexer les données des trois protocoles supérieurs (ATT, SMP et couche de liaison Control Signaling) sur une connexion d’une couche de liaison. Les données de ces services sont traitées par L2CAP dans une approche appelée « Best-Effort » et sans l’utilisation des mécanismes de contrôle de la retransmission et de débit, qui sont disponibles dans d’autres versions Bluetooth. Les capacités de segmentation et de réassemblage ne sont pas utilisées, puisque les protocoles de la couche supérieure fournissent des unités de données qui correspondent à la taille maximale de charge utile de L2CAP, qui est égale à 23 octets dans BLE.
ATT (Attribute Protocol)
3.2.7.
L’ATT définit la communication entre les deux dispositifs jouant les rôles de serveur et de client, respectivement, au-dessus d’un canal L2CAP dédié. Le serveur gère un ensemble d’attributs. Un attribut est une structure de données qui stocke les informations gérées par le GATT, le protocole qui fonctionne au-dessus de l’ATT. Le rôle de client ou de serveur est déterminé par le GATT, et est indépendant du rôle de l’esclave ou du maître. Le client peut accéder aux attributs du serveur par l’envoi des demandes qui déclenchent les messages de réponse du serveur. Pour une plus grande efficacité, un serveur peut également envoyer à un client deux types de messages non sollicités qui contiennent des attributs : (i) les notifications, qui sont non confirmées ; et (ii) des indications qui force le client à envoyer une confirmation. Un client peut également envoyer des commandes au serveur afin d’écrire des valeurs d’attribut.
GATT (Generic Attribute Profile)
3.2.8.
Le GATT définit un cadre qui utilise le ATT pour la découverte de services et l’échange de caractéristiques d’un appareil à l’autre. Une caractéristique est un
