FR3044428A1

FR3044428A1 - Systeme de detection et de communication d'alertes meteo par une station de base qui collecte par voie hertzienne des mesures produites par au moins une station meteo auto alimentee

Info

Publication number: FR3044428A1
Application number: FR1502476A
Authority: FR
Inventors: Etienne Marie Conan
Original assignee: Kaaertek
Current assignee: Kaaertek
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2015-11-26
Publication date: 2017-06-02

Abstract

L'invention concerne un procédé de détection et communication d'alerte météo au moyen d'une station de base et d'au moins une station météo permettant de vérifier 24 heures sur 24 les conditions météo sur plusieurs kilomètres à la ronde. Une station météo est équipée de sondes permettant de mesurer périodiquement, jour et nuit, au moins 2 paramètres relatifs aux conditions météo : température de l'air ambiant, température au sol, hygrométrie, pression atmosphérique, pluviométrie, vitesse et direction du vent. Une station météo est située selon le relief jusqu'à 10 kilomètres de sa station de base. Chaque station météo dispose d'une alimentation électrique autonome rechargeable par panneau solaire, d'une géolocalisation par GPS, d'un dispositif d'étalonnage des sondes. Périodiquement par voie hertzienne, chaque station météo communique notamment ses mesures horodatées, et sa géolocalisation à la station de base. La station de base enregistre les mesures réceptionnées, et détermine si les conditions d'apparition d'une alerte préalablement configurée sont réunies. En cas d'alerte un message de notification est poussé vers au moins un smartphone. La station de base est connectée à internet, et embarque un site internet qui permet la configuration, l'administration et la restitution de l'historique des mesures. Le dispositif et le procédé selon l'invention est notamment destiné à prévenir un viticulteur quelques heures à l'avance, de la probable apparition de gel dans son vignoble.

Description

La présente invention se rapporte à un système d’objets connectés.

La présente invention se rapporte plus particulièrement à un système constitué d’une station de base en charge de détecter et de communiquer les alertes météo, et d’au moins une station météo qui communique avec la station de base par voie hertzienne pour lui transmettre les mesures de paramètres météo prises sur le terrain.

La mesure de paramètres météo via des capteurs connectés à un microcontrôleur, la télétransmission de ces paramètres, de même que l’analyse, la présentation de paramètres météo via internet sous diverses formes ou la notification de messages d’alerte, sont des techniques usuelles. Toutefois, la combinaison des fonctions suivantes n’est pas proposée à l’heure actuelle : • Mesures de paramètres météo extérieurs, effectuées de façon périodique à quelques minutes d’intervalle, 24 heures sur 24, • Sondes de mesures fonctionnant sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un raccordement à un réseau d’énergie électrique, • Télétransmission hertzienne des mesures au fil de l’eau sans qu’il soit nécessaire de disposer d’un raccordement à un réseau d’énergie électrique, • Plusieurs points de mesures automatiquement géo-localisés et pouvant être répartis géographiquement sur plusieurs kilomètres à la ronde, • Analyse en temps réel des mesures météo réceptionnées avec détection d’alertes configurables, • La transmission de messages d’alerte par SMS ou via internet, en flux poussé vers une liste de smartphones configurable, • Consultation via internet de l'historique et des résultats d’analyse des paramètres météo transmis. L’objectif de l’invention est de fournir un moyen de prévenir, de jour comme de nuit, 24 heures sur 24, une ou plusieurs personnes, avec une anticipation de l’ordre de quelques dizaines de minutes à plusieurs heures, de la probable arrivée d’un front local de changement météo tel que, et cet exemple n’est pas limitatif, le passage d’une température positive à une température négative sur tout ou partie d’une zone géographique limitée à zone plus ou moins circulaire de quelques kilomètres de rayon, de type agricole, c'est-à-dire que les sites de mesure et les points d’accès au réseau d’énergie électrique ne coïncident pas, et éviter ainsi à l’exploitant une veille de tous les instants sur site, pour maîtriser un risque météo.

Le système selon l’invention est constitué d’au moins une station météo représentée schématiquement par la figure 1.

La station météo est composée d’un point de vue mécanique : • une boite étanche pour contenir les différents éléments électroniques à protéger de la pluie et de l’humidité, • un abri météo pour placer les sondes d’humidité, température et pression • un support vertical de type pied de parasol, permettant de fixer et d’orienter les différents éléments de la station météo, en particulier l’anémomètre, le pluviomètre, le panneau solaire, la susdite boite étanche, le susdit abri météo.

La station météo est composée d’un point de vue électronique : • D’un microcontrôleur (1) chargé d’exécuter le programme réalisant la relève des mesures des différentes sondes connectées, les contrôles, la configuration, la transmission hertzienne, • D’un module LoRa (2) avec son antenne, en charge de dialoguer par voie hertzienne sur la bande de fréquence libre 868 MHz avec la station de base, • D’une carte mémoire au standard micro SD (3) qui va permettre de mémoriser de façon non volatile les paramètres configurables et les traces de fonctionnement de ladite station météo, • D’un module énergie composé d’une batterie rechargeable (6) utilisée pour alimenter en électricité l’ensemble de l’électronique de ladite station météo, d’un panneau solaire (5) permettant de produire de l’électricité à partir du rayonnement solaire, et du chargeur (4) permettant de recharger la batterie avec l’électricité produite par le panneau solaire, • D’un écran (8) permettant d’afficher la configuration et les traces de fonctionnement de ladite station météo, • D’un interrupteur (7) permettant d’allumer ou éteindre le susdit écran, • D’un ensemble de boutons poussoir (9) actifs seulement si l’interrupteur (18) est fermé, permettant de piloter l’affichage des informations sur le susdit écran, et de modifier certains paramètres de configuration de ladite station météo, • D’un module de géolocalisation GPS (10) permettant de géo-localiser ladite station météo, et d’horodater les mesures et actions de ladite station météo, • D’une sonde permettant de mesurer l’humidité et la température (11) de l’air à quelques dizaines de centimètres du sol, avec un potentiomètre permettant de l’étalonner, • Optionnellement, d’une sonde permettant de mesurer l’humidité et la température (12) de l’air à quelques dizaines de centimètres du sol, avec un potentiomètre permettant de l’étalonner, • Optionnellement, D’une sonde permettant de mesurer la pression atmosphérique (13), avec un potentiomètre permettant de l’étalonner, • Optionnellement, d’un capteur de niveau d’eau pour assurer la fonction de pluviomètre (14), avec un potentiomètre permettant de l’étalonner, • Optionnellement, d’une micro pompe immergeable pour assurer la fonction de purge du pluviomètre (15), • Optionnellement, d’un anémomètre (16) pour mesurer la vitesse du vent, avec un potentiomètre permettant de l’étalonner, • Optionnellement, d’une girouette (17) pour mesurer la direction du vent, avec un potentiomètre permettant de l’étalonner,

La partie logicielle de la station météo est constituée comme suit : • Lorsque l’interrupteur (18) est fermé, le programme est en mode « configuration ». Dans ce mode, le programme exécuté par le microcontrôleur effectue en boucle les opérations suivantes : o Effectuer la lecture des données de géolocalisation, de la date du jour et de l’heure, et si l’interrupteur (7) est fermé, afficher les coordonnées de géolocalisation, la date et l’heure, o Mesurer le niveau de charge de la batterie, et si l’interrupteur (7) est fermé, afficher le niveau de charge de la batterie, o Effectuer la prise de mesure de chaque capteur ou sonde, o Si l’interrupteur (7) est fermé, afficher sur l’écran le libellé de chaque paramètre météo mesuré, et la valeur de la mesure correspondante, o Les boutons permettent : • De sélectionner un des paramètres météo ou un des paramètres de configuration du module LoRa (2) • De modifier la valeur affichée jusqu’à obtenir, pour un paramètre météo la mesure donnée par un moyen d’étalonnage externe qui ne fait pas partie de l’invention, ou la valeur souhaitée pour un paramètre de configuration du module LoRa, • de valider pour le mémoriser la valeur d’étalonnage (offset) de la sonde qui devra être appliquée à chaque future mesure de la sonde. • Lorsque l’interrupteur (18) est ouvert, le programme est en mode « Mesure ». Dans ce mode, le programme exécuté par le microcontrôleur effectue en boucle les opérations suivantes : o Si l’interrupteur (7) est fermé, afficher sur l’écran (8) les actions qui suivent et leur résultat au fil de l’eau, o Effectuer la lecture des données de géolocalisation, de la date du jour et de l’heure, o Effectuer la prise de mesure de chaque capteur ou sonde, o Mesurer du niveau de charge de la batterie, o Si le niveau d’eau du pluviomètre dépasse le seuil de hauteur maximale configuré, commander la mise en marche de la micro pompe de purge du pluviomètre tant que le niveau d’eau n’aura pas baissé jusqu’au seuil de hauteur minimale configurée, o Construire le message à transmettre à ladite station de base. Ce message sera formaté en JSON, et contiendra l’ensemble des mesures effectuées, l’horodatage, la géolocalisation, s’il y a eu une purge du pluviomètre la mesure du niveau d’eau après purge, o Encrypter le message à transmettre avec une clé connue de ladite station de base, o Transmettre le message formaté et encrypté à ladite station de base via le module LoRa, avec contrôle de l’acquittement de bonne réception. En cas d’échec de transmission, le programme applique une politique de réessai de transmission, o Enregistrement dans un fichier de trace sur la carte mémoire micro SD des actions effectuées par le programme et de leur résultat, o Mise en sommeil de ladite station météo pendant une durée configurée pour réduire la consommation en énergie.

Le système selon l’invention est constitué d’une station de base représentée schématiquement par la figure 2, est composée : • D’un nano-ordinateur (1), installé avec le système linux, qui a pour objectif d’exécuter les programmes nécessaires pour rendre les fonctions de ladite station de base, • De l’alimentation électrique raccordée au secteur (2) de ce nano-ordinateur, • D’un câble RJ45 de connexion du nano-ordinateur à un point d’accès internet (5), • D’une carte mémoire micro SD (6), qui est utilisée par le système linux du nano-ordinateur, • D’un module LoRa (3) avec son antenne, en charge de dialoguer par voie hertzienne sur la bande de fréquence libre 868 MHz avec la ou les stations météos, et de permettre aux programmes du nano-ordinateur de collecter et enregistrer les mesures des paramètres météo, • Optionnellement d’un module GSM (4), en charge de transmettre des alertes météo par SMS à une liste de smartphones.

Les périphériques connectés à ladite station de base sont les suivants : • Un écran d’ordinateur (10), • Un clavier d’ordinateur (9) • Une souris (8), • Un disque dur (7), • Un amplificateur de signal audio avec haut-parleurs (11).

La partie logicielle de la station de la station de base est constituée comme suit : • Un programme logiciel en charge de piloter en permanence le module LoRa (3) pour réceptionner, décrypter et acquitter les messages transmis par les stations météo. Ces messages contiennent les paramètres météo mesurés et horodatés. Ce programme logiciel est en charge également de décoder ces messages pour en extraire les valeurs des mesures, et d’enregistrer ces mesures dans une base de données locale hébergée sur le disque dur (7) de ladite station de base et/ou sur des serveurs informatiques distants (cloud). • Un site internet de restitution des mesures et des prédictions. Ce site internet intègre un contrôle d’accès, et permet de sélectionner le début et la fin de la période d’observation. Le programme effectue les requêtes nécessaires en base de données pour récupérer les données brutes et les données calculées. L’utilisateur peut ensuite choisir une restitution des données sous forme de tableaux de nombres, les visualiser sous forme de cartographies ou de courbes. Ce site internet est hébergé sur ladite station de base ou sur des serveurs informatiques distants (cloud). • Un site internet de configuration des alertes. Ce site internet intègre un contrôle d’accès, et permet de sélectionner, afficher et modifier de façon persistante les paramètres de configuration de ladite station de base : o Paramètres de fonctionnement du module LoRa, o Paramètres de fonctionnement du module GSM, o Paramètres de configuration permettant d’envoyer un SMS, o Paramètres de configuration permettant d’envoyer un e-mail, o Paramètres de configuration permettant d’envoyer un message via Apple Push Notification Service (APNS), o Paramètres de configuration permettant d’envoyer un message via Google Cloud Messaging (GCM), o Paramètres de configuration permettant d’envoyer un message via Microsoft Push Notification Service (MPNS), o Paramètres d’accès aux serveurs distants (cloud), o Paramètres de seuils de détection des alertes météo simples, o Paramètres des critères d’alertes météo combinées, o Paramètres de notification des alertes météo, en particulier la liste des smartphones destinataires, avec au moins une méthode de notification à utiliser pour chacun, à savoir : SMS,

Apple Push Notification Service (APNS),

Google Cloud Messaging (GCM),

Microsoft Push Notification Service (MPNS), e-mail. • Un module de traitement des données reçues et de détection de situation d’alerte conformes à la configuration des alertes. Chaque enregistrement d’un nouveau groupe de données va déclencher différents programmes : o Prédiction. Pour chaque paramètre météo mesuré, la nouvelle mesure correspond à un point supplémentaire sur une courbe fonction du temps. Une valeur représentative du paramètre météo est calculée pour chaque heure. Puis par interpolation polynomiale de type Lagrange, au minimum de degré 3, le programme va estimer la valeur du paramètre météo à 1 et à 2 heures dans le futur. Les nœuds utilisés pour l’interpolation sont déterminés par la valeur représentative du paramètre météo 6 heures avant, 3 heures avant, à l’heure courante. Un 4ème nœud est utilisé, positionné jusqu’à 18 heures dans le futur et dont la valeur est déterminée à partir notamment de la mesure effectuée 24 heures auparavant. o Alerte Simple. Pour chaque paramètre météo mesuré pour lequel un seuil d’alerte a été défini via le site internet de configuration des alertes, le programme vérifie si la dernière mesure enregistrée ou l’une des valeurs prédites est au-delà du seuil paramétré. Si c’est le cas alors une alerte simple est détectée et enregistrée. o Alerte combinée. Pour chaque paramètre météo mesuré pour lequel un critère d’alerte combinée a été défini via le site internet de configuration des alertes, le programme vérifie si le critère d’alerte combinée s’applique et le cas échéant modifie la valeur du paramètre mesuré et les valeurs prédites conformément aux paramètres du critère. Ces critères d’alerte combinée reflètent une corrélation entre paramètres météo. Le programme vérifie si les nouvelles valeurs sont au-delà du seuil d’alerte simple. Si c’est le cas alors une alerte combinée est détectée et enregistrée. Par exemple, et cet exemple n’est pas limitatif, on définit un critère d’alerte simple tel que une alerte est détectée lorsque la température mesurée est inférieure ou égale à 1 degré, et un critère d’alerte combiné tel que si la température est comprise entre 0 et 5 degrés avec un vent supérieur à 30 Km/h, alors la température mesurée doit être minorée de 5 degrés (phénomène de refroidissement éolien). Dans ces conditions, si la température mesurée est de 3 degrés, et que le vent a une vitesse mesurée de 37Km/h, alors aucune alerte simple sur la température ne sera détectée. En revanche, le critère d’alerte combinée est applicable, la mesure de température corrigée sera de -2 degrés, donc inférieure au seuil d’alerte simple de 1 degré. Une alerte combinée sera détectée. o Cartographie. Pour chaque paramètre météo mesuré dans une période donnée, le programme positionne la mesure dans une matrice carrée, par exemple et cela n’est pas limitatif, de dimension 100x100, en s’appuyant sur les données de géolocalisation. Si plusieurs mesures sont disponibles pour le même point, une valeur moyenne est calculée. Puis par interpolation polynomiale de type Lagrange, le programme calcule la valeur du paramètre météo pour les points manquants de façon à ce que chaque point de la matrice carrée soit renseigné. Le programme associe également un niveau de couleur dépendant de sa valeur à chaque point, selon une échelle définie pour le paramètre.

Cette matrice une fois calculée est enregistrée. Elle sera exploitée par le site internet de restitution des mesures et des prédictions pour afficher une carte. • Un module de transmission des messages d’alerte. Lorsqu’une alerte est établie, le module de transmission des messages d’alerte va construire le message textuel décrivant l’alerte à partir des caractéristiques de l’alerte produit par le module de traitement des données reçues. Ce message est limité à 160 caractères pour être utilisable par le module GSM pour émettre des SMS. Ce module de transmission des messages d’alerte va exploiter la configuration de la ladite station de base pour identifier les smartphones destinataires, et pour chacun d’eux le canal de transmission (SMS, APNS, GCM, MPNS ou e-mail) à utiliser. Le module va donc élaborer pour chaque alerte une liste de triplets (message, smartphone, canal). Pour chaque triplet un message doit être transmis. Le module de transmission des messages d’alerte va donc pour chacun de ces triplets identifier le programme d’interface à utiliser, et le mettre en action pour qu’il transmette le message au smartphone destinataire : o Programme d’interface SMS. Ce programme permet de piloter le module GSM pour émettre des SMS. Il utilise les paramètres de fonctionnement du module GSM. Une SIM active chez un opérateur GSM sera utilisée. o Programme d’interface Apple Push Notification Service (APNS). Ce programme permet d’émettre un message vers la plate-forme APNS. Il utilise les paramètres de fonctionnement du canal APNS. o Programme d’interface Google Cloud Messaging (GCM). Ce programme permet d’émettre un message vers la plate-forme GCM. Il utilise les paramètres de fonctionnement du canal GCM. o Programme d’interface Microsoft Push Notification Service (MPNS). Ce programme permet d’émettre un message vers la plate-forme MPNS. Il utilise les paramètres de fonctionnement du canal MPNS. o Programme d’interface e-mail, Ce programme permet d’émettre un message via send mail. Il utilise les paramètres de fonctionnement du canal e-mail. L’invention est susceptible d’être utilisée, sans que cela soit limitatif, dans le domaine agricole, en particulier viticole. Lors des périodes de l’année où les gelées peuvent encore apparaître alors que la plante a quitté le stade de repos hivernal, ce qui peut provoquer des pertes de rendement plus ou moins importantes, potentiellement préjudiciables à la santé de l’exploitation agricole. Lorsqu’une telle situation se présente, le viticulteur peut agir avec des méthodes directes de protection contre le gel pour en limiter les impacts, par exemple en utilisant des chaufferettes, la technique d’aspersion d’eau, ou encore le brassage d’air. Encore faut-il que le viticulteur soit prévenu à temps. A cette fin, le viticulteur réalise lors de ces périodes de fréquents contrôles sur le terrain, de jour comme de nuit. L’invention permet au viticulteur de rester en astreinte dans ses locaux au lieu d’être sur le terrain. En effet, les mesures étant collectées en permanence, le viticulteur peut les consulter de façon aléatoire et préventive, ou attendre d’être prévenu par une alarme météo générée par ladite station de base.

Des variantes particulières de l’invention permettent d’intégrer à ladite station météo des capteurs de paramètres météo supplémentaires, ou des changements dans les algorithmes de calcul en vue d’améliorer les estimations des prévisions. L’invention est décrite dans ce qui précède à titre d’exemple. Il est entendu que l’homme du métier est à même de réaliser différentes variantes de l’invention sans sortir du cadre du brevet.

Claims

REVENDICATIONS 1) Système de détection et de communication d’alertes météo par une station de base qui collecte par voie hertzienne des mesures produites par au moins une station météo auto alimentée, caractérisé en ce que ladite station météo est alimentée de façon autonome en électricité par un panneau solaire couplé avec une batterie, réalise périodiquement, 24 heure sur 24, à quelques minutes d’intervalle des mesures de paramètres météo et les transmet sous forme de messages numériques horodatés et géo-localisés par voie hertzienne à ladite station de base qui va enregistrer sur disque dur local ou sur des serveurs informatiques distants, les mesures réceptionnées, et déterminer si les conditions d’apparition d’une alerte météo sont réunies, auquel cas ladite station de base transmettra une notification d’alerte météo à un ou plusieurs smartphones.
2) Système de détection et de communication d’alertes météo selon la revendication 1 caractérisé par ladite station de base peut collecter et enregistrer les mesures transmises par plusieurs stations météo géolocalisées.
3) Système de détection et de communication d’alertes météo selon les revendications 1 et 2 caractérisé par une transmission hertzienne entre la station de base et chaque station météo utilisant la bande de fréquence 868MHZ et s’appuyant sur la technologie LoRa.
4) Système de détection et de communication d’alertes météo selon la revendication 1 caractérisé par détermination d’une alerte météo selon un algorithme basé sur l’interpolation et la corrélation des mesures collectées pour estimer une valeur future et sa comparaison à un seuil d’alerte.
5) Système de détection et de communication d’alertes météo selon les revendications 1 et 4 caractérisé par une notification d’alerte poussée par ladite station de base vers au moins un smartphone par SMS, et ou par message de type « Push Notification Service » , et ou par e-mail.
6) Système de détection et de communication d’alertes météo selon les revendications 1, 4 et 5 caractérisé par la présentation sur un site internet de l'historique des mesures de paramètres météo collectées par ladite station de base sous forme de courbes et de cartes en fonction du temps et de la localisation.
7) Système de détection et de communication d’alertes météo selon les revendications 1, 2 et 3 caractérisé par la capacité pour ladite station météo de mesurer périodiquement, jour et nuit, au moins 2 paramètres relatifs aux conditions météo tels que, la température de l’air ambiant, la température au sol, l’hygrométrie, la pression atmosphérique, la pluviométrie, la vitesse et la direction du vent.
8) Système de détection et de communication d’alertes météo selon les revendications 1, 2, 3 et 7 caractérisé par la capacité à configurer le fonctionnement de ladite station météo et d'étalonner les différents capteurs par l’intermédiaire d’un écran embarqué, de potentiomètres, de boutons, d’interrupteurs.