WO2017108747A1 - Passerelle à alimentation solaire pour réseau LPWAN - Google Patents

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WO2017108747A1
WO2017108747A1 PCT/EP2016/081855 EP2016081855W WO2017108747A1 WO 2017108747 A1 WO2017108747 A1 WO 2017108747A1 EP 2016081855 W EP2016081855 W EP 2016081855W WO 2017108747 A1 WO2017108747 A1 WO 2017108747A1
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WO
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gateway
message
network
modem
channel
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Application number
PCT/EP2016/081855
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Inventor
Henri Crohas
Original Assignee
Henri Crohas
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    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the invention relates to a device providing the connection between objects connected to a first LPWAN (Low Power Wide Area Network) extended radio frequency network and a base station of a second extended radio frequency network.
  • WWAN Wireless Wide-Area Network
  • the invention relates to an autonomous device from the point of view of its power supply.
  • Devices that provide a connection between a connectable object and a central server via a gateway of a wireless network connected to the Internet.
  • Examples include WiFi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, GPRS, 3G / 4G gateways, etc. which are either connected directly to the internet or via a local area network (LAN: Local Area Network) or Wide Area Network (WAN).
  • LAN Local Area Network
  • WAN Wide Area Network
  • Patent application CN104792354 describes such a system.
  • the invention consists of a remote monitoring system of a forest environment. The system includes sensors connected radiofrequency via ZigBee technology to a gateway.
  • the gateway transfers the messages from the sensors to a central server via the WWAN type wide area network using the General Packet Radio Service (GPRS) protocol, also known as 2G.
  • GPRS General Packet Radio Service
  • This gateway and, optionally, the sensors are powered by photovoltaic panels.
  • GPRS General Packet Radio Service
  • Such a system however has a problem related to the ZigBee protocol used. This protocol can only be used at short distance
  • ZigBee networks remain short-range networks that can hardly be classified as WWAN wide area networks.
  • Wi-Fi is also a short-range network (-300 m maximum in theory, a few tens of meters in practice) and higher power (-100 mW of transmission power) but this type of star network presents the same problems of extended scope as a "mesh" network like ZigBee and can no more pretend to constitute a WWAN type wide area network than are networks of the GSM, CDMA, 2G type , 3 G or 4G.
  • Such a network also present a power consumption problem of making it difficult or impossible to feed a photovoltaic panel of reasonable size (area less than 1 ⁇ 2 m 2).
  • GSM networks are wireless extended cellular networks
  • WWAN wide area network
  • long-range up to ten kilometers in open space but reduced to a few hundred meters in dense urban space
  • relatively high power up to 40 W of transmission power for antennas base stations having the longest ranges and typically up to 2 W from the point of view of terminals
  • LPWAN Low-Power Wide-Area Network
  • LPWAN Low-Power Wide-Area Network
  • the radio frequency transmission technologies supporting these networks are mainly developed by LoRa (https://www.lora-alliance.org/, for example the chip described in patent application EP2763321A1), SigFox (http: //www.sigfox .com / en /, for example the patent application WO2014 / 037665 A1) andNB-IoT (Narrowband Internet of Things) in the framework of 3GPP (http://www.3gpp.org/).
  • the range of the LPWAN networks is about ten kilometers in open terrain and significantly higher than the range of GSM or CDMA mobile networks.
  • the data transfer rate at the level of the physical layer is very greatly reduced, typically of the order of 1 kbit / s or even up to 100 bits / s in the aim to reduce the power of emission while maintaining a great range.
  • the radio frequency power transmitted by the LPWAN gateways and related connected objects are generally of the order of 10 to 25 mW, up to 500 mW in Europe and 1 W in the United States in a few exceptional cases. framed by the standards for emissions in the public frequency bands, called ISM bands.
  • the gateways are designed as GSM base stations of the roof-top type or at the top of a tower or radio mast. They are also designed to listen to a large number of connectable objects simultaneously.
  • SigFox technology consists mainly of listening to a frequency channel in which connectable objects emit messages each on a narrow-band UNB (Ultra-Narrow Band) subchannel.
  • SigFox gateways must therefore scan a relatively wide frequency channel for the search for UNB signals carrying messages from connectable objects. Gateways are able to receive and process many messages simultaneously.
  • the LoRa protocol relies on a method of spread spectrum transmission and consists of listening to several narrow frequency channels on which the connectable objects emit at variable spreading rates as a function of the distance between them. object and the gateway.
  • the LoRa gateways must scan each of the open channels, typically 8, in each of the various spread spectrum factors (typically 8) in order to receive and process many messages simultaneously, typically up to
  • LPWAN protocols exist or are under consideration, based on various combinations of UNB or spread spectrum methods, such as the recently proposed NB-IoT protocol for standardization under the 3GPP standardization body. aims to use the latest generation of GSM base stations, offering opportunities for SDR
  • the gateways of these three systems therefore require a relatively powerful signal processing unit to process the signals corresponding to numerous connections received simultaneously (up to 64 simultaneous connections in the case of LoRaWA gateways).
  • These signal processing units greatly increase the power consumption of the gateways making it impossible to power them with a photovoltaic panel of reasonable size (surface less than 1 ⁇ 2 m 2 ).
  • the LPWAN receiving and processing units of these gateways are also permanently active, further increasing power consumption.
  • the reception system is permanently occupied, either to detect the presence of any messages sent by connected objects around or to receive messages sent by said objects.
  • the minimum consumption of a LoRa receiver is 9V x 0.65A ⁇ 6W (see the Multitech module: http://www.multitech.net/developer/products/accessory-cards/mtac-lora/mtac- lora- power-draw /, accessed 16/1 1/2016).
  • the Chinese utility model CN204836605 describes a gateway between a GSM network (GPRS) and an LPWAN network (LoRa). Again, because of the high consumption of the GPRS and LoRa protocols (from the point of view of the gateway), a reasonably sized photovoltaic panel (surface less than 1 ⁇ 2 m 2 ) can not be enough to power such a gateway and to make it autonomous from the point of view of its power supply.
  • GPRS GSM network
  • LoRa LPWAN network
  • the networks of the ZigBee type suffer from a short range
  • networks of the Wi-Fi type suffer from a short range combined with greater power consumption
  • networks of the GSM type suffer from too much power consumption relative to their range.
  • LPWAN networks are a good alternative but the current gateways also consume too much electricity. There is therefore a need for LPWAN / WWAN gateways that can be installed anywhere, easily, without power supply or wired connection (Ethernet, DSL, fiber optics, ).
  • the invention relates to an autonomous device from the point of view of its power supply configured to exchange data with a plurality of connectable objects by means of a first low power radio frequency network, long range and star type LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), and to exchange the corresponding data with a base station by means of a second wireless wide area wireless network (WWAN).
  • the device comprises a gateway which itself comprises a modem adapted to the first radio frequency network providing the connection between the connectable objects and said base gateway through the first radio frequency network, and a WWAN modem providing the connection between said gateway and the station. basic through the second radio frequency network.
  • the gateway is configured to limit its power consumption by organizing communications with the connectable objects via the periodic or quasi-periodic transmission of beacon messages on a channel, called beacon channel, said channel having a central frequency and a bandwidth, said tag messages including each
  • the device also comprises a photo voltaic panel providing power to the device and whose surface is less than 0.6 m 2 .
  • One of the goals of this device is to be easily installable anywhere, without power supply or wire connection (Ethernet, DSL, fiber optics ).
  • the device uses, on the one hand, a LPWAN network that is very low in electricity consumption and, on the other hand, a WWAN network which, from the transmitter's point of view, requires a sufficiently reasonable power supply for the device can be powered by a photovoltaic panel of reasonable size (surface less than 1 ⁇ 2 m 2 ).
  • the device does not require special technical skill for its installation since it is sufficient to ask or fix where desired.
  • the surface of the photovoltaic panel is less than
  • the WWAN modem is a modem of the type: GSM (1G),
  • the WWAN modem is a GPRS modem.
  • the WWAN network and the corresponding WWAN modem are ideally of the GPRS type
  • the maximum range of the first radiofrequency network is, in open terrain, at least 1 km, preferably at least 5 km, even more preferably at least 10 km.
  • This feature is related to the type of network (LPWAN) used and reduces the number of gateways to install, which indirectly facilitates their installation.
  • LPWAN type of network
  • the modem adapted to the first radio frequency network is configured so that the transfer rate of the first radio frequency network at the level of the physical layer (PHY) is at most 5 kbit / s, preferably at most 1 kbit / s. / s, even more preferably at most 500 bits / s when transmitting at its maximum range. It is also configured to transmit on the first radio frequency network with a maximum transmission power less than or equal to 1 W, preferably less than or equal to 500 mW, even more preferably less than or equal to 100 mW.
  • PHY physical layer
  • This characteristic is related to the type of network (LPWAN) used.
  • LPWAN type of network
  • the gateway is configured to limit its power consumption by communicating simultaneously with the connectable objects via a number of communication channels less than or equal to 3, preferably equal to 1, each channel having a central frequency and a width band.
  • the connectable objects are configured to send messages to the gateway and the gateway is configured to simultaneously receive and process a number of messages less than or equal to 8, preferably equal to 1.
  • the beacon message sent by the gateway comprises:
  • the gateway is configured to:
  • the temporal organization of the communications makes it possible to limit the collisions of messages. These collisions induce corrupt transmissions between the connectable objects and the gateway and, as the case may be, retransmissions. These corrupted transmissions are however unnecessarily processed by the LPWAN modem and / or the gateway's microcontroller. The transmission must therefore be treated at least twice (once or more times corrupted and once correct) which is expensive in electrical energy.
  • the organization of time by the gateway via a beacon message also limits the number of channels / messages to be scanned and processed simultaneously which reduces the power consumption.
  • the gateway comprises a memory for storing messages received from connectable objects and wherein the gateway is configured to transmit to the base station the messages stored after a time interval, and configured to immediately transmit a message if it has a priority character.
  • the time interval is of a duration of between 1 and
  • the WWAN modem Since the WWAN modem is the component of the device that consumes the most electricity (about 4 times more than the LPWAN modem), it is therefore very useful to activate it as little as possible.
  • the transfer rate of the WWAN modem is of the order of 100 times higher than the transfer rate of the LPWAN modem. It is therefore not necessary to immediately transfer each message received from the LPWAN network. Using a storage memory reduces the use of the WWAN modem and thus reduces power consumption.
  • the energy consumed per day by the device according to the invention is on average less than 48 Wh, preferably less than 36 Wh, ideally less than 24 Wh.
  • the device further comprises a battery powered by the photovoltaic panel and supplying the device.
  • the battery is a battery with a capacity of between 1 and 50 Ah, preferably between 3 and 30 Ah, even more preferably between 5 and 15 Ah.
  • a battery of sufficient capacity makes it possible to store the electricity produced by the photovoltaic panel and to restore it when the production of the panel is zero, for example during the night, in case of bad weather, if the panel is covered. (by snow, object, dead leaves).
  • the gateway and its components are included in the same weather-resistant housing.
  • the device being intended to be installed anywhere, it is important that its constituents are protected from bad weather and in particular precipitation.
  • the components of the device are attached to the same support, said support preferably being a satellite TV antenna support or a mast.
  • This kind of support is mass produced, low cost and easy to install.
  • the components and technical elements of the device can reduce its manufacturing cost to less than 100 €, preferably less than 50 €, preferably less than 35 €.
  • This feature facilitates installation and possible replacement of the device because its low cost simplifies maintenance (standard exchange in case of failure).
  • Figure la shows an embodiment of a device according to the invention
  • Figure lb shows an example of a network in which a device according to the invention is involved
  • Figure 2 shows a second embodiment of a device according to the invention
  • FIG. 3 shows an operating diagram of a device according to the invention
  • Figure la shows an embodiment of a device 100 according to the invention (for the sake of clarity all the electrical connections are not shown, the connections shown are in the form of arrows indicating the direction of the currents d power supply).
  • the device is autonomous from the point of view of its power supply and comprises: a gateway 110 and a photovoltaic panel 120.
  • the device comprises a microcontroller 111.
  • FIG. 1b shows an example of a network 160 in which a device
  • the device according to the invention is adapted to exchange data with a plurality of connectable objects 170 by means of a first radiofrequency network 131, and to exchange data with a base station 180 by means of a second radio frequency network 141 said second radio frequency network 141 being a Wireless Wide-Area Network (WWAN) wireless extended cellular network.
  • WWAN Wireless Wide-Area Network
  • connectable objects denotes both potentially connectable objects that actually connected objects.
  • the gateway 110 comprises: a first modem 130 adapted to a first radiofrequency network 131 ( Figure lb), a second modem 140 adapted to a second radiofrequency network 141 ( Figure lb).
  • the first radiofrequency network 131 is a low-power Wide Area Network (LPWAN), low-power, long-range and star-shaped network, and the first modem 130 adapted to the first network 131 is a modem.
  • LPWAN Low-power Wide Area Network
  • the first modem 130 adapted to the first network 131 is a modem.
  • the second network 141 is a Wireless Wide-Area Network (WWAN) wireless extended cellular network and the second modem 140 adapted to the second network 141 is a WWAN modem.
  • WWAN Wireless Wide-Area Network
  • the gateway 110 is configured to communicate with a plurality of connectable objects 170 in the network 160 using a plurality of channels each having a center frequency and a bandwidth.
  • the gateway is also configured to limit its power consumption by organizing communications with the connectable objects via the periodic or quasi-periodic transmission of beacons on a channel, called beacon channel, being a unidirectional reserved communication channel.
  • Said tag messages each include:
  • the gateway indicating, preferably, only one channel different from the beacon channel for exchanging at least one message.
  • the gateway When the gateway organizes the communications, it limits the collisions of messages which induce corrupt transmissions between the connectable objects and the gateway and thus, if necessary retransmissions. These corrupted transmissions are nevertheless processed unnecessarily by the LPWAN modem 130 and / or the microcontroller 111 of the gateway. The transmission will have to be processed at least twice (once or several times corrupted and once correct).
  • the organization of time by the gateway via a beacon message also limits the number of channels / messages to be scanned and processed simultaneously. Indeed, the gateway does not seek to detect and / or receive only one message at a time on a single channel. This feature makes it possible to reduce the complexity of the signal processing and therefore to reduce the computing power, which has the consequence of reducing the power consumption of the microcontroller 111.
  • Tag messages may also include:
  • a gateway may emit, in its time window, a signal carrying a tag message. If the gateway wants to deliver a message, it sends it after the beacon message on the channel indicated in the beacon message. If the gateway has no message to deliver, it can receive a message from a connectable object 170 in:
  • the messages sent by the connected objects are synchronized on beacon messages transmitted at regular intervals on the beacon channel.
  • many gateways are present in the network 160 and the occupancy rate of each gateway in reception is generally less than 10% of the time. The gateway therefore spends much of its time detecting the non-presence of a message preamble.
  • the LPWAN modem is thus active on average only for a short period of time. For example, a few milliseconds over a period of time between the issuance of two 2-second beacon messages.
  • the gateway is occupied at most 10% of the time to actually receive messages from the connected objects located inside the cell, the rest of the time it is occupied only 3.5% to detect the non-presence of a preamble.
  • the beacon signal also allows each gateway to organize itself with respect to the other gateways of the network. By listening to the beacon channel and beacon messages, a gateway can choose a free time slot to issue its beacon message, can re-synchronize and can be inserted into the network.
  • the power consumption of the gateway 110 configured according to the protocol described above is such that the power supply of the gateway can be provided by a photovoltaic panel 120 whose surface is less than 0.6 m 2 , preferably less than 0.3 m 2 , or ideally less than 0.2 m 2 .
  • a panel with a surface area of 0.2 m 2 can produce 22 W
  • a 0.3 m 2 panel can produce 34 W
  • a 0.6 m 2 panel can produce 68 W.
  • the photovoltaic panel 120 may be in the form of a rectangular parallelepiped rigid and thin (a few centimeters thick).
  • the mass of the photovoltaic panel is of the order of one kilogram.
  • the photovoltaic panel comprises: electrical connections, fasteners, a frame to ensure its rigidity and sealing.
  • the photovoltaic panel has any shape, preferably having a flat surface.
  • the photovoltaic panel may also comprise flexible membranes.
  • the maximum price of the photovoltaic panel is preferably 1 € / Wc and its lifetime is between ten and thirty years.
  • the photovoltaic panel may comprise polycrystalline or monocrystalline cells and be covered with a toughened, anti-reflective, weather-resistant and particularly precipitation-resistant glass.
  • the WWAN modem 140 may be a modem of the type: GSM (1G), GPRS
  • the WWAN modem is a GPRS modem.
  • the General Packet Radio Service (GPRS) network protocol is a mobile telephony protocol that allows packet transmission adapted to data transmission. The protocol remains relatively inexpensive in energy compared to the more recent protocols of 3G and 4G because the electric resources are used only when a transmission is really effective.
  • the average power consumption of the WWAN modem is less than 500 mWh, preferably less than 250 mWh, ideally less than 150 mWh.
  • the device 100 may comprise a battery 150.
  • the battery may be powered by the photovoltaic panel 120 and it supplies the device.
  • the photovoltaic panel can supply the battery via a charger 151.
  • the battery is a rechargeable lead-acid battery (12V) contained in a housing that is resistant to the weather (in particular to precipitation) and has a low self-discharge.
  • any rechargeable battery can be used, for example: NiMH battery, Lithium-Ion, Lithium (Metal) Polymer.
  • the cost of the battery is preferably less than 2 € / Ah, even more preferably less than 1 € / Ah.
  • the battery has a capacity of between 1 and 50 Ah, preferably between 3 and 30 Ah, ideally between 5 and 15 Ah.
  • the average energy consumed per day by the device 100 is less than 48 Wh, preferably less than 36 Wh, ideally less than 24 Wh.
  • the energy balance can be established as:
  • WWAN (GPRS) modem 140 200 mW;
  • ⁇ LPWAN 130 Modem 50 mW;
  • Microcontroller 111 and others charger 151, battery microcontroller, microcontroller photovoltaic panel: 65 mW;
  • the base station 180 may be connected to a central server 190 via a connection 191.
  • the connection is an internet connection.
  • central server can also be understood in the sense of "terminal”.
  • the first radio frequency network 131 is a low-power wide-area network LPWAN (Low-Power Wide-Area Network).
  • LPWAN Low-Power Wide-Area Network
  • the maximum range of the first radiofrequency network 131 is, in open terrain, at least 1 km, even more preferably at least 5 km, ideally at least 10 km.
  • LPWAN can reach several tens of kilometers in open terrain. However, the range can be reduced to less than one kilometer in urban areas because of the presence of numerous buildings that prevent the good propagation of radio signals into the cannons formed by the streets and into the interior of buildings. buildings.
  • the LPWAN modem 130 is configured so that the transfer rate of the LPWAN network 131 at the level of the physical layer (PHY) corresponding to the maximum range is at most 5 kbit / s, even more preferably at the maximum of 1 kbit / s, ideally a maximum of 500 bits / s.
  • the physical layer is the lowest layer of the Open Systems Interconnection (OSI) model, which is an ISO communication standard describing the functionalities needed to communicate and organize these functions. This model is a layered model and the lowest layer is the physical layer that is responsible for the effective transmission of signals between interlocutors. The service of the physical layer is limited to sending and receiving a bit or a continuous bit stream.
  • OSI Open Systems Interconnection
  • the gateway 110 is configured to transmit on the first radio frequency network 131 with a maximum transmission power less than or equal to 1 W, preferably less than or equal to 500 mW, even more preferably lower or equal to 100 mW.
  • the gateway 110 is configured to communicate simultaneously with the connectable objects 170 only via a limited number of communication channels. This restriction makes it possible to reduce the power consumption of the LPWAN modem 130 and the microcontroller 111, which must process fewer signals simultaneously.
  • the number of communication channels is less than or equal to 3, preferably equal to 1, each channel having a central frequency and a bandwidth.
  • the connectable objects 170 are configured to send messages to the gateway 110 and the gateway is configured to simultaneously receive and process a number of messages less than or equal to 8, preferably equal to 1. Again, this restriction reduces the power consumption of the LPWAN 130 and microcontroller 111, which must process fewer signals simultaneously.
  • the gateway 110 may include a memory for storing received messages S321 from connectable objects 170. When the memory is full, the gateway 110 is configured to transmit the stored messages S330 to the base station 180. Alternatively, the gateway 110 sends the messages stored in its memory after a time interval S330 of a duration of between 1 and 60 s, preferably between 3 and 15 s, even more preferably between 4 and 6 s. If a message with a priority character (emergency message, fire alarm, ...) the gateway 110 immediately transfers the message S330 to the base station 180.
  • the WWAN modem 140 is the largest current consumer of the device. On the other hand, the WWAN network 141 has a higher transfer rate than the LPWAN network 131. memory to store received messages thus reduces the number of transfers via the WWAN network and thus reduce power consumption.
  • FIG. 2 shows a second exemplary embodiment of a device
  • the device comprises, in addition to the gateway 110, the photovoltaic panel 120 and the battery 150, a support 210.
  • this support may be a satellite TV antenna support or alternatively a mast.
  • the gateway 110 may be included in a weatherproof housing 220, particularly to precipitation and is, for example, mounted at the rear of the photovoltaic panel 120.
  • the photovoltaic panel is directed towards the South and inclined according to the latitude. For example, for a latitude 50 ° North, the inclination of + 60 ° with respect to the horizontal is a good compromise between the optimum inclination at the winter solstice (about + 70 °) and that at the summer solstice (about + 30 °).
  • the battery 150 may also be included in a housing 230 resistant to the weather, in particular to precipitation and is, for example, also mounted at the rear of the photovoltaic panel.
  • the device 200 described in the second example has a manufacturing cost of maximum 100 €, preferably maximum 50 €, ideally maximum 35 €.
  • the photovoltaic panel 120 must have a size of at least 0.15 m 2 . Take, for example, a panel of 0.2 m 2 , with a power of 20 W costing 1 € / W. The cost of the photovoltaic panel is then 20 €.
  • the average cost per Ah of a lead-acid battery is about 1 € / Ah, the cost of the battery is about 7.5 €.
  • the cost of the gateway 110 can be estimated at 10 €.
  • Other electrical and electronic elements are estimated at € 5.
  • the cost of mechanical supports can be estimated at 10 €.
  • the cost of the device 200 is:
  • Figure 3 shows an operating diagram 300 of a device 100
  • the gateway 110 is configured to limit its power consumption by organizing the communications with the connectable objects 170 via the periodic or quasi-periodic transmission of beacon messages S310 on a channel, called beacon channel, said channel having a central frequency and a bandwidth, said tag messages each comprising:
  • the network comprises several gateways 100, 200, the latter emit their beacon signal at different times.
  • tag messages are issued in fixed time intervals of the period.
  • Tag messages may also include:
  • a gateway may emit, in its time window, a signal carrying a tag message. If the gateway wants to deliver a message, it sends it after the beacon message on the channel indicated in the beacon message. If the gateway has no message to deliver, it can receive a message from a connectable object 170 in:
  • the beacon message can include several windows and / or several channels.
  • a connectable object 170 randomly chooses one of the windows and / or one of the S311 channels to send an S320 message.
  • the beacon channel indicates only one channel on which a connectable object can send a message.
  • the gateway 110 may include a memory for storing received messages S321 from connectable objects 170. When the memory is full, the gateway 110 is configured to transmit the stored messages S330 to the base station 180. Alternatively, the gateway 110 sends the messages stored in its memory after a time interval S330 of a duration of between 1 and 60 s, preferably between 3 and 15 s, even more preferably between 4 and 6 s. If a message with a priority character (emergency message, fire alarm, ...) the gateway 110 immediately transfers the message S330 to the base station 180.
  • a priority character emergency message, fire alarm, .
  • a power-stand-alone device which is configured to: exchange data with a plurality of connectable objects by means of a first LPWAN radio frequency network and to exchange data with a base station by means of a second WWAN radio frequency network.
  • the device includes a gateway comprising: an LPWAN modem and a WWAN modem; and a photovoltaic panel with a surface area of less than 0.6 m 2 .
  • the gateway is configured to limit its power consumption by organizing communications with the connectable objects via periodic issue of tag messages each comprising: an indication of at least one time slot for exchanging at least one message, and / or an indication of at least one channel different from the beacon channel for exchanging at least one message.

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Abstract

Passerelle à alimentation solaire pour réseau LPWAN. Dispositif autonome du point de vue de son alimentation électrique qui est configuré pour: échanger des données avec une pluralité d'objets connectables au moyen d'un premier réseau radiofréquence de type LPWAN et pour échanger des données avec une station de base au moyen d'un second réseau radiofréquence WWAN. Le dispositif comprend une passerelle comprenant: un modem LPWAN et un modem WWAN; et un panneau photovoltaïque de surface inférieure à 0,6 m². La passerelle est configurée pour limiter sa consommation électrique en organisant les communications avec les objets connectables via l'émission périodique de messages balises comprenant chacun: une indication d'au moins une fenêtre temporelle pour échanger au moins un message, et/ou une indication d'au moins un canal différent du canal balise pour échanger au moins un message.

Description

Passerelle à alimentation solaire pour réseau LPWAN
Domaine technique
[0001] L'invention se rapporte à un dispositif assurant la liaison entre des objets connectés à un premier réseau radio fréquence étendu de type LPWAN (Low-Power Wide-Area Network) et une station de base d'un second réseau radiofréquence étendu ou WWAN (Wireless Wide-Area Network), également connu sous le nom de réseau cellulaire mobile. Plus précisément, l'invention se rapporte à un dispositif autonome du point de vue de son alimentation électrique.
Etat de la technique
[0002] On connaît des dispositifs qui assurent une connexion entre un objet connectable et un serveur central via une passerelle d'un réseau sans fil reliée à l'internet. On peut citer, par exemple, les passerelles WiFi, Bluetooth, Zigbee, Z-Wave, GPRS, 3G/4G, etc, qui sont, soit reliées directement à l'internet soit par l'intermédiaire d'un réseau local (LAN : Local Area Network) ou d'un réseau étendu (WAN : Wide-Area Network). Parmi ces dispositifs, certains peuvent être autonomes en énergie, leur approvisionnement électrique étant assuré, par exemple, par un panneau photo voltaïque. La demande de brevet CN104792354 décrit un tel système. Dans cet exemple, l'invention consiste en un système de surveillance à distance d'un environnement forestier. Le système comprend des capteurs connectés en radiofréquence via la technologie ZigBee à une passerelle. La passerelle transfère les messages des capteurs vers un serveur central via le réseau étendu de type WWAN utilisant le protocole GPRS (General Packet Radio Service également dénommé 2G). Cette passerelle et, éventuellement, les capteurs sont alimentés par des panneaux photovoltaïques. Un tel système présente cependant un problème lié au protocole ZigBee utilisé. Ce protocole n'est utilisable qu'à courte distance
(~100m maximum en théorie), typiquement quelques mètres à quelques dizaines de mètres. Les objets connectables doivent donc se trouver à proximité de la passerelle, ce qui limite l'utilisation d'un tel réseau. Pour augmenter la portée du réseau, on peut soit augmenter fortement le nombre de passerelles, ce qui est difficile en termes de coût et de mise en œuvre, soit utiliser la faculté des réseaux Zigbee d'être déployés en maille
(« mesh » en anglais). Dans ce type de réseau en maille, un objet connecté peut, potentiellement, servir de relais entre un autre objet situé hors de portée de la passerelle et la passerelle. Ce genre de réseaux présente divers désavantages : risque de rupture du maillage et de la communication si un objet est défaillant, surconsommation électrique des objets servant de relais limitant leur autonomie sur batterie, latence dans les transmissions, portée somme toute limitée à quelques retransmissions successives, engorgement des communications au niveau des objets relais, plus grande complexité des protocoles de communication. En conclusion, les réseaux ZigBee restent des réseaux à courte portée qui peuvent difficilement être classés parmi les réseaux étendus WWAN.
[0003] Un autre type de réseau est Wi-Fi qui est également un réseau à courte portée (-300 m maximum en théorie, quelques dizaines de mètres en pratique) et de plus grande puissance (-100 mW de puissance d'émission) mais ce type de réseau en étoile présente les mêmes problèmes de portée étendue qu'un réseau « mesh » comme ZigBee et ne peut pas plus prétendre à constituer un réseau étendu de type WWAN que sont par ailleurs les réseaux de type GSM, CDMA, 2G, 3 G ou 4G. Un tel réseau présente aussi un problème de consommation électrique qui rend difficile voire impossible l'alimentation par un panneau photovoltaïque de taille raisonnable (surface inférieure à ½ m2).
[0004] Enfin, les réseaux GSM sont des réseaux cellulaires étendus sans fil
(WWAN), à longue portée (jusqu'à une dizaine de kilomètres en espace dégagé mais réduite à quelques centaines de mètres en espace urbain dense) et à relativement forte puissance (jusqu'à 40 W de puissance d'émission pour les antennes des stations de base présentant les plus longues portées et typiquement jusqu'à 2 W du point de vue des terminaux) et présente donc aussi un problème de consommation électrique qui rend impossible l'alimentation d'une station de base (ou passerelle) par un panneau photovoltaïque de taille raisonnable (surface inférieure au ½ m2).
[0005] Une solution pour pouvoir couvrir une grande zone en consommant peu d'énergie réside dans les réseaux « Low-Power Wide-Area Network » (LPWAN) qui sont des réseaux radio fréquence étendus à basse puissance, longue portée et configurés en étoile. Les technologies de transmission radio fréquence supportant ces réseaux sont principalement développés par LoRa (https://www.lora-alliance.org/, par exemple la puce décrite dans la demande de brevet EP2763321A1), SigFox (http://www.sigfox.com/fr/, par exemple la demande de brevet WO2014/037665 Al) etNB-IoT (Narrowband Internet of the Things) dans le cadre du 3GPP (http://www.3gpp.org/). La portée des réseaux LPWAN est d'une dizaine de kilomètres en terrain dégagé et sensiblement supérieure à la portée des réseaux mobiles GSM ou CDMA. En revanche, le taux de transfert des données au niveau de la couche physique (couche la plus basse du modèle OSI) est très fortement réduit, typiquement de l'ordre de 1 kbit/s voire même jusqu'à 100 bits/s dans le but de réduire la puissance d'émission tout en conservant une grande portée. La puissance radio fréquence émise par les passerelles LPWAN ainsi que les objets connectés qui y sont rattachés sont généralement de l'ordre de 10 à 25 mW, pouvant aller jusqu'à 500 mW en Europe et 1 W aux États Unis dans quelques cas exceptionnels dûment encadrés par les normes relatives aux émissions dans les bandes de fréquence publiques, dites bandes ISM.
[0006] Néanmoins, les technologies actuelles des réseaux LPWAN souffrent de plusieurs problèmes. Les passerelles sont conçues comme des stations de base GSM du type à poser sur un toit (roof-top) ou au sommet d'une tour ou mât hertzien. Elles sont également conçues pour écouter un nombre important d'objets connectables simultanément. Par exemple, la technologie SigFox consiste principalement en l'écoute d'un canal de fréquence dans lequel des objets connectables émettent des messages chacun sur un sous-canal en bande très étroite UNB (Ultra-Narrow Band). Les passerelles SigFox doivent donc scanner un canal de fréquence relativement large à la recherche de signaux UNB transportant les messages des objets connectables. Les passerelles sont capables de recevoir et traiter de nombreux messages simultanément. Le protocole LoRa quant à lui repose sur une méthode de transmission par étalement de spectre et consiste en l'écoute de plusieurs canaux de fréquence étroits sur lesquels les objets connectables émettent avec des taux d'étalement de spectre variables en fonction de la distance entre l'objet et la passerelle. Les passerelles LoRa doivent scanner chacun des canaux ouverts, typiquement 8, dans chacun des différents facteurs d'étalement de spectre (typiquement 8) afin de recevoir et traiter de nombreux messages simultanément, typiquement jusqu'à
64 (8 canaux et 8 facteurs d'étalement dans chaque canal). D'autres protocoles LPWAN existent ou sont à l'étude, reposant sur diverses combinaisons de méthodes de transmission en UNB ou étalement de spectre, tels que le protocole NB-IoT récemment proposé pour normalisation dans le cadre de l'organisme de normalisation 3GPP qui vise à utiliser les stations de base GSM de dernière génération, offrant des possibilités de SDR
(Software Defïned Radio).
[0007] Les passerelles de ces trois systèmes nécessitent donc une unité de traitement du signal relativement puissante pour traiter les signaux correspondant à de nombreuses connexions reçues simultanément (jusqu'à 64 connexions simultanées dans le cas des passerelles LoRaWA ). Ces unités de traitement du signal augmentent fortement la consommation électrique des passerelles rendant impossible leur alimentation par un panneau photovoltaïque de taille raisonnable (surface inférieure au ½ m2). Les unités de réception et de traitement LPWAN de ces passerelles sont également en activité de manière permanente, ce qui augmente encore la consommation électrique. Le système de réception est occupé en permanence, soit à détecter la présence d'éventuels messages émis par des objets connectés alentour soit à recevoir les messages émis par lesdits objets. Par exemple, la consommation minimum d'un récepteur LoRa est de 9V x 0.65 A ~ 6 W (voir le module Multitech : http://www.multitech.net/developer/products/accessory-cards/mtac-lora/mtac-lora- power-draw/, consulté le 16/1 1/2016).
[0008] Le modèle d'utilité chinois CN204836605 décrit une passerelle entre un réseau GSM (GPRS) et un réseau LPWAN (LoRa). À nouveau, à cause de la grande consommation des protocole GPRS et LoRa (du point de vue de la passerelle), un panneau photovoltaïque de taille raisonnable (surface inférieure au ½ m2) ne peut suffire à alimenter une telle passerelle et à la rendre autonome du point de vue de son alimentation électrique.
[0009] En conclusion, les réseaux du type ZigBee souffrent d'une faible portée, les réseaux du type Wi-Fi souffrent d'une faible portée combinée à une plus grande consommation électrique et les réseaux du type GSM souffrent d'une trop grande consommation électrique relativement à leur portée. Les réseaux LPWAN sont une bonne alternative mais les passerelles actuelles consomment également trop d'électricité. Il y a donc un besoin pour des passerelles LPWAN/WWAN installables n'importe où, facilement, sans alimentation électrique ni connexion filaire (Ethernet, DSL, fibre optique, ...).
Résumé de l'invention
[0010] Selon un premier aspect, l'invention se rapporte à un dispositif autonome du point de vue de son alimentation électrique configuré pour échanger des données avec une pluralité d'objets connectables au moyen d'un premier réseau radio fréquence basse puissance, longue portée et en étoile de type LPWAN (Low-Power Wide-Area Network), et pour échanger des données correspondantes avec une station de base au moyen d'un second réseau radio fréquence cellulaire étendu sans fil WWAN (Wireless Wide-Area Network). Le dispositif comprend une passerelle qui elle-même comprend un modem adapté au premier réseau radio fréquence assurant la connexion entre les objets connectables et ladite passerelle base à travers le premier réseau radio fréquence, et un modem WWAN assurant la connexion entre ladite passerelle et la station de base à travers le second réseau radio fréquence. La passerelle est configurée pour limiter sa consommation électrique en organisant les communications avec les objets connectables via l'émission périodique ou quasi-périodique de messages balises sur un canal, appelé canal balise, ledit canal présentant une fréquence centrale et une largeur de bande, lesdits messages balises comprenant chacun
(a) une indication d'au moins une fenêtre temporelle pour échanger au moins un message ;
(b) et/ou une indication d'au moins un canal différent du canal balise pour échanger au moins un message.
Le dispositif comprend également un panneau photo voltaïque assurant l'alimentation électrique du dispositif et dont la surface est inférieure à 0,6 m2.
Un des buts de ce dispositif est d'être facilement installables n'importe où, sans alimentation électrique ni connexion fîlaire (Ethernet, DSL, fibre optique...). En effet, le dispositif utilise, d'une part, un réseau LPWAN très peu gourmand en électricité et d'autre part un réseau WWAN qui, du point de vue de l'émetteur, demande une alimentation électrique suffisamment raisonnable que pour que le dispositif puisse être alimenté par un panneau photovoltaïque de taille raisonnable (surface inférieure au ½ m2). De plus, le dispositif ne nécessite pas de compétence technique particulière pour son installation puisqu'il suffit de le poser ou de le fixer là où on le désire.
[0011] De préférence, la surface du panneau photovoltaïque est inférieure à
0,3 m2, ou encore de manière encore plus préférée inférieure à 0,2 m2.
[0012] De préférence, le modem WWAN est un modem du type : GSM (1G),
GPRS (2G), EDGE (2.5G), CDMA (3G), UMTS (3G), LTE (4G), de préférence le modem WWAN est un modem GPRS.
Le réseau WWAN et le modem WWAN correspondant sont idéalement du type GPRS
(General Packet Radio Service) car ce protocole de téléphonie mobile permet la transmission par paquets adaptée à la transmission de données et il reste relativement peu coûteux en énergie par rapport aux protocoles plus récents de 3 G et 4G, les ressources électriques n'étant utilisées que lorsqu'une transmission est réellement effective.
[0013] De préférence, la portée maximum du premier réseau radiofréquence est, en terrain dégagé, au minimum de 1 km, de préférence au minimum de 5 km, de manière encore plus préférée au minimum de 10 km.
Cette caractéristique est liée au type de réseau (LPWAN) utilisé et permet de réduire le nombre de passerelles à installer, ce qui facilite indirectement leur installation.
[0014] De préférence, le modem adapté au premier réseau radiofréquence est configuré pour que le taux de transfert du premier réseau radiofréquence au niveau de la couche physique (PHY) soit au maximum de 5 kbit/s, de préférence au maximum de 1 kbit/s, de manière encore plus préférée au maximum de 500 bits/s lorsqu'il émet à sa portée maximum. Il est également configuré pour émettre sur le premier réseau radiofréquence avec une puissance d'émission maximum inférieure ou égale à 1 W, de préférence inférieure ou égale à 500 mW, de manière encore plus préférée inférieure ou égale à 100 mW.
À nouveau, cette caractéristique est liée au type de réseau (LPWAN) utilisé. Ce faible taux de transfert permet de garantir une puissance d'émission faible et donc de garantir une consommation électrique faible.
[0015] De préférence, la passerelle est configurée pour limiter sa consommation électrique en communiquant simultanément avec les objets connectables via un nombre de canaux de communication inférieur ou égal à 3, de préférence égal à 1, chaque canal présentant une fréquence centrale et une largeur de bande.
[0016] De préférence, les objets connectables sont configurés pour envoyer des messages à la passerelle et la passerelle est configurée pour recevoir et traiter simultanément un nombre de messages inférieur ou égal à 8, de préférence égal à 1.
L'utilisation d'un nombre restreint de canaux de communication simultané et d'un nombre restreint de message reçus et traités simultanément permet de réduire la puissance consommée par le modem et par un microcontrôleur chargé de traiter les signaux.
[0017] De préférence, le message balise émit par la passerelle comprend :
· un préambule ;
• soit une indication que la passerelle veut délivrer un message soit qu'elle est apte à recevoir au moins un message ;
• une indication d'un canal pour échanger au moins un message. La passerelle est configurée pour :
• délivrer un message l'envoie à la suite du message balise sur le canal indiqué dans le message balise ; et/ou
• recevoir un message d'un objet connectable en :
o écoutant le canal assigné dans le message balise pour détecter un préambule d'un message ;
o recevant le message.
L'organisation temporelle des communications permet de limiter les collisions de messages. Ces collisions induisent des transmissions corrompues entre les objets connectables et la passerelle et donc le cas échéant des retransmissions. Ces transmissions corrompues sont néanmoins traitées inutilement par le modem LPWAN et/ou le microcontrôleur de la passerelle. La transmission devra donc être traitée au moins deux fois (une ou plusieurs fois corrompues et une fois correcte) ce qui est coûteux en énergie électrique. L'organisation du temps par la passerelle via un message balise permet également de limiter le nombre de canaux/messages à scanner et à traiter simultanément ce qui réduit la consommation électrique.
[0018] De préférence, la passerelle comprend une mémoire pour stocker des messages reçus depuis des objets connectables et dans lequel la passerelle est configurée pour transmettre à la station de base les messages stockés après un intervalle de temps, et configurée pour transmettre immédiatement un message si celui-ci a un caractère prioritaire.
[0019] De préférence, l'intervalle de temps est d'une durée comprise entre 1 et
60 s, de préférence entre 3 et 15 s, de manière encore plus préférée entre 4 et 6 s.
Le modem WWAN étant le composant du dispositif qui consomme le plus d'électricité (environ 4 fois plus que le modem LPWAN), il est donc très utile de l'activer le moins possible. De plus, le taux de transfert du modem WWAN est de l'ordre de 100 fois plus élevé que le taux de transfert du modem LPWAN. Il n'est donc pas nécessaire de transférer immédiatement chaque message reçu du réseau LPWAN. L'utilisation d'une mémoire de stockage permet de réduire l'utilisation du modem WWAN et donc de réduire la consommation électrique.
[0020] De préférence, l'énergie consommée par jour par le dispositif selon l'invention est en moyenne inférieure à 48 Wh, de préférence inférieur à 36 Wh, idéalement inférieure à 24 Wh. [0021] De préférence, le dispositif comprend en outre une batterie alimentée par le panneau photovoltaïque et alimentant le dispositif. De préférence, la batterie est une batterie d'une capacité comprise entre 1 et 50 Ah, de préférence entre 3 et 30 Ah, de manière encore plus préférée entre 5 et 15 Ah.
L'utilisation d'une batterie de capacité suffisante permet de stocker l'électricité produite par le panneau photovoltaïque et de la restituer lorsque la production du panneau est nulle, par exemple pendant la nuit, en cas de mauvais temps, si le panneau est recouvert (par de la neige, objet, feuilles mortes).
[0022] De préférence, la passerelle et ses constituants sont compris dans un même boîtier résistant aux intempéries.
Le dispositif étant destiné à être installé n'importe où, il est important que ses constituants soient protégés des intempéries et en particulier des précipitations.
[0023] De préférence, les constituants du dispositif sont attachés sur un même support, ledit support étant de préférence un support d'antenne parabolique TV ou un mât. Ce genre de support est produit en série, à bas coûts et sont facilement installables.
[0024] De préférence, les constituants et éléments techniques du dispositif permettent de réduire son coût de fabrication à moins de 100€, de préférence à moins de 50€, de préférence à moins de 35€.
Cette caractéristique permet de faciliter l'installation et le remplacement éventuel du dispositif car son faible coût simplifie la maintenance (échange standard en cas de panne).
Brève description des dessins
[0025] Ces aspects ainsi que d'autres aspects de l'invention seront clarifiés dans la description détaillée de modes de réalisation particuliers de l'invention, référence étant faite aux dessins des figures, dans lesquelles :
la Figure la montre un exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention ; la Figure lb montre un exemple de réseau dans lequel un dispositif selon l'invention intervient ;
la Figure 2 montre un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif selon l'invention ;
la Figure 3 montre un schéma de fonctionnement d'un dispositif selon l'invention ; Les dessins des figures ne sont pas à l'échelle. Généralement, des éléments semblables sont dénotés par des références semblables dans les figures. La présence de numéros de référence aux dessins ne peut être considérée comme limitative, y compris lorsque ces numéros sont indiqués dans les revendications.
Description détaillée de certains modes de réalisation de l'invention
[0026] La Figure la montre un exemple de réalisation d'un dispositif 100 selon l'invention (pour la clarté du schéma toutes les connexions électriques ne sont pas représentées, les connexions représentées le sont sous forme de flèches indiquant le sens des courants d'alimentation électrique). Le dispositif est autonome du point de vue de son alimentation électrique et comprend : une passerelle 110 et un panneau photo voltaïque 120. De préférence, le dispositif comprend un microcontrôleur 111.
[0027] La Figure lb montre un exemple de réseau 160 dans lequel un dispositif
100 selon l'invention est utilisé. Le dispositif selon l'invention est adapté pour échanger des données avec une pluralité d'objets connectables 170 au moyen d'un premier réseau radiofréquence 131, et pour échanger des données avec une station de base 180 au moyen d'un second réseau radiofréquence 141, ledit second réseau radiofréquence 141 étant un réseau cellulaire étendu sans fil WWAN (Wireless Wide-Area Network).
Notons que le terme « objets connectables » 170 désigne aussi bien des objets potentiellement connectables que des objets effectivement connectés.
[0028] La passerelle 110 comprend : un premier modem 130 adapté à un premier réseau radiofréquence 131 (Figure lb), un second modem 140 adapté à un second réseau radiofréquence 141 (Figure lb). Le premier réseau radiofréquence 131 est un réseau un réseau basse puissance, longue portée et en étoile de type LPWAN (Low-Power Wide- Area Network) et le premier modem 130 adapté au premier réseau 131 est un modem
LPWAN. Le second réseau 141 est un réseau cellulaire étendu sans fil WWAN (Wireless Wide-Area Network) et le second modem 140 adapté au second réseau 141 est un modem WWAN.
[0029] La passerelle 110 est configurée pour communiquer avec une pluralité d'objets connectables 170 dans le réseau 160 en utilisant une pluralité de canaux présentant chacun une fréquence centrale et une largeur de bande. La passerelle est également configurée pour limiter sa consommation électrique en organisant les communications avec les objets connectables via l'émission périodique ou quasi- périodique de messages balises sur un canal, appelé canal balise, étant un canal de communication unidirectionnel réservé. Lesdits messages balise comprennent chacun :
• une indication d'au moins une fenêtre temporelle pour échanger au moins un message ;
• et/ou une indication d'au moins un canal différent du canal balise pour échanger au moins un message, la passerelle n'indiquant, de préférence, qu'un seul canal différent du canal balise pour échanger au moins un message.
Lorsque la passerelle organise les communications, elle limite les collisions de messages qui induisent des transmissions corrompues entre les objets connectables et la passerelle et donc le cas échéant des retransmissions. Ces transmissions corrompues sont néanmoins traitées inutilement par le modem LPWAN 130 et/ou le microcontrôleur 111 de la passerelle. La transmission devra donc être traitée au moins deux fois (une ou plusieurs fois corrompues et une fois correcte). L'organisation du temps par la passerelle via un message balise permet également de limiter le nombre de canaux/messages à scanner et traiter simultanément. En effet, la passerelle ne cherche à détecter et/ou recevoir qu'un seul message à la fois sur un seul canal. Cette caractéristique permet d'alléger la complexité du traitement du signal et donc de diminuer la puissance de calcul ce qui a pour conséquence d'entraîner une diminution de la consommation électrique du microcontrôleur 111.
[0030] Les messages balise peuvent aussi comprendre :
• un préambule ;
• soit une indication que la passerelle 110 veut délivrer un message soit qu'elle est apte à recevoir au moins un message ;
· une indication d'un canal pour échanger ce ou ces messages.
Une passerelle peut émettre, dans sa fenêtre temporelle, un signal transportant un message balise. Si la passerelle veut délivrer un message, elle l'envoie à la suite du message balise sur le canal indiqué dans le message balise. Si la passerelle n'a pas de message à délivrer, elle peut recevoir un message d'un objet connectable 170 en :
· écoutant le ou les canaux assignés dans le message balise pour détecter un préambule d'un message ;
• recevant le message. [0031] Les messages émis par les objets connectés sont synchronisés sur les messages balise émis à intervalle réguliers sur le canal balise. En pratique, de nombreuses passerelles sont présentes dans le réseau 160 et le taux d'occupation de chaque passerelle en réception reste généralement inférieur à 10 % du temps. La passerelle passe donc une grande partie de son temps à détecter la non-présence d'un préambule de message. Le modem LPWAN n'est donc actif en moyenne que pendant une courte période de temps. Par exemple, quelques millisecondes sur une période entre l'émission de deux messages balises de 2 secondes. En résumé, la passerelle n'est occupée au plus que 10 % du temps à recevoir effectivement des messages émis par les objets connectés situées à l'intérieur de la cellule, le reste du temps elle n'est occupée que 3,5 % à détecter la non-présence d'un préambule. Au total, la passerelle ne fonctionne en réception que 10 % + 3.5 %*90 % = 13.1 % du temps, et elle peut être complètement désactivée et ne rien consommer du tout le reste du temps. Le signal balise permet également à chaque passerelle de s'organiser par rapport aux autres passerelles du réseaux. En écoutant le canal balise et les messages balise, une passerelle peut choisir un intervalle temporel libre pour émettre son message balise, peut se resynchroniser et peut s'insérer dans le réseau.
[0032] La consommation électrique de la passerelle 110 configurée selon le protocole décrit ci-dessus est telle que l'alimentation électrique de la passerelle peut être assurée par un panneau photovoltaïque 120 dont la surface est inférieure à 0,6 m2, de préférence inférieure à 0,3 m2, ou idéalement inférieure à 0,2 m2. Par exemple, un panneau d'une surface de 0,2 m2 peut produire 22 W, un panneau de 0,3 m2 peut produire 34 W et un panneau de 0,6 m2 peut produire 68 W.
[0033] Le panneau photovoltaïque 120 peut se présenter sous la forme d'un parallélépipède rectangle rigide et mince (quelques centimètres d'épaisseur). La masse du panneau photovoltaïque est de l'ordre du kilogramme. De préférence, le panneau photovoltaïque comprend : des branchements électriques, des fixations, un cadre pour assurer sa rigidité et l'étanchéité. Alternativement, le panneau photovoltaïque a une forme quelconque, de préférence comportant une surface plane. Alternativement, le panneau photovoltaïque peut également comprendre des membranes souples. Le prix maximum du panneau photovoltaïque est, de préférence, de 1€/Wc et sa durée de vie est comprise entre dix et trente ans. Le panneau photovoltaïque peut comprendre des cellules poly- cristallines ou monocristallines et être recouvert d'un verre trempé traité antireflet, résistant aux intempéries et en particulier aux précipitations. [0034] Par exemple, un panneau photovoltaïque 120 haute efficacité ayant une longueur de 490 mm, une largeur de 350 mm, une épaisseur de 25 mm, une masse de 2,1 kg et respectant les normes de qualité internationales (voir par exemple : http://www.alibaba om/product-detail/25W-Mono-Mini-Solar- Panels l 697051419. html?s=p) peut être utilisé.
[0035] Le modem WWAN 140 peut être un modem du type : GSM (1G), GPRS
(2G), EDGE (2.5G), CDMA (3G), UMTS (3G), LTE (4G). De préférence, le modem WWAN est un modem GPRS. Le protocole réseau GPRS (General Packet Radio Service) est un protocole de téléphonie mobile permettant la transmission par paquets adaptée à la transmission de données. Le protocole reste relativement peu coûteux en énergie par rapport aux protocoles plus récents de 3G et 4G car les ressources électriques ne sont utilisées que lorsqu'une transmission est réellement effective. En intégrant les intervalles de repos entre les périodes de transmission de données active, la consommation électrique moyenne du modem WWAN est inférieure à 500 mWh, de préférence, inférieure à 250 mWh, idéalement inférieure à 150 mWh.
[0036] Le dispositif 100 peut comprendre une batterie 150. La batterie peut être alimentée par le panneau photovoltaïque 120 et elle alimente le dispositif. Le panneau photovoltaïque peut alimenter la batterie via un chargeur 151. Par exemple, la batterie est une batterie rechargeable au plomb (12V) contenue dans un boîtier résistant aux intempéries (en particulier aux précipitations) et présentant une autodécharge faible. Alternativement, n'importe quelle batterie rechargeable peut être utilisée, par exemple : batterie NiMH, Lithium-Ion, Lithium (Métal) Polymère. Le coût de la batterie est, de préférence, inférieur à 2€/Ah, de manière encore plus préférée inférieur à 1€/Ah. La batterie à une capacité comprise entre 1 et 50 Ah, de préférence entre 3 et 30 Ah, idéalement entre 5 et 15 Ah.
[0037] L'énergie moyenne consommée par jour par le dispositif 100 est inférieure à 48 Wh, de préférence inférieure à 36 Wh, idéalement inférieure à 24 Wh. Par exemple, le bilan énergétique peut être établis comme :
• Modem WWAN (GPRS) 140 : 200 mW ;
· Modem LPWAN 130 : 50 mW ;
• Microcontrôleur 111 et autres (chargeur 151, microcontrôleur batterie, microcontrôleur panneau photovoltaïque) : 65 mW ;
• Transmission modem LPWAN 130 : 200 mW ; • Taux d'efficacité de l'alimentation électrique 70 % ;
• Total : (200+50+65+200) / 0.7 = 736 mW.
Ce bilan donne une consommation moyenne par jour de 17,6 Wh. Pour cet exemple de bilan énergétique et pour un dispositif situé à environ 50° de latitude Nord au solstice d'hiver, on dispose d'une énergie solaire reçue d'environ 2 kWh/m2/jour en moyenne. Si on considère une efficacité typique de 15 % pour la production d'électricité d'un panneau photovoltaïque 120, une perte de 30 % due à l'orientation et l'inclinaison fixes du panneau par rapport au soleil, une perte de 20 % pour le stockage de l'électricité par la batterie 150 et une marge d'erreur de 30 %, on obtient une production de 2 kWh/m2/jour*0.15*0.7*0.8*0.7 ~= 4.9 W/m2. La puissance requise étant de 0.736 W, cela correspond à une surface de panneau photovoltaïque de 0.736/4.9 = 0.15 m2.
[0038] Grâce à son protocole, la consommation minimale du modem LPWAN
130 de la passerelle 110 du dispositif 100 en réception, lorsqu'il n'y a pas de message à traiter est inférieure à 50 mW (90 % du temps) et, lorsqu'il y a un message à traiter, est inférieure à 250 mW (10 % du temps). En conclusion, la consommation moyenne en réception est inférieure à 50 x 0,9 + 250 x 0,1 = 70mW, ce qui est environ 100 fois moins que la consommation minimum d'un récepteur LoRa de l'art antérieur (6 W).
[0039] La station de base 180 peut être connectée à un serveur central 190 via une connexion 191. De préférence, la connexion est une connexion internet. Le termes « serveur central » peut également être compris dans le sens de « terminal ».
[0040] Le premier réseau radio fréquence 131 est un réseau basse puissance, longue portée et en étoile de type LPWAN (Low-Power Wide-Area Network).
[0041] De préférence, la portée maximum du premier réseau radiofréquence 131 est, en terrain dégagé, au minimum de 1 km, de manière encore plus préférée au minimum de 5 km, idéalement au minimum de 10 km. Par exemple, la portée théorique des réseau
LPWAN peut atteindre plusieurs dizaines de kilomètres en terrain dégagé. La portée peut cependant être réduite à moins d'un kilomètre en milieu urbain et ce, à cause de la présence de nombreux bâtiments qui empêchent la bonne propagation des signaux radiofréquences jusque dans les canions constitués par les rues et jusqu'à l'intérieur des bâtiments.
[0042] Le modem LPWAN 130 est configuré pour que le taux de transfert du réseau LPWAN 131 au niveau de la couche physique (PHY) correspondant à la portée maximum est au maximum de 5 kbit/s, de manière encore plus préférée au maximum de 1 kbit/s, idéalement au maximum de 500 bits/s. La couche physique est la couche la plus basse du modèle OSI (Open Systems Interconnection) qui est un standard de communication ISO décrivant les fonctionnalités nécessaires à la communication et l'organisation de ces fonctions. Ce modèle est un modèle en couches et la couche la plus basse est la couche physique qui est chargée de la transmission effective des signaux entre les interlocuteurs. Le service de la couche physique est limité à l'émission et la réception d'un bit ou d'un train de bit continu.
[0043] De préférence, la passerelle 110 est configurée pour émettre sur le premier réseau radio fréquence 131 avec une puissance d'émission maximum inférieure ou égale à 1 W, de préférence inférieure ou égale à 500 mW, de manière encore plus préférée inférieure ou égale à 100 mW.
[0044] Par exemple, la passerelle 110 est configurée pour ne communiquer simultanément avec les objets connectables 170 que via un nombre restreint de canaux de communication. Cette restriction permet de réduire la consommation électrique du modem LPWAN 130 et du microcontrôleur 111 qui doivent traiter moins de signaux simultanément. Par exemple, le nombre de canaux de communication est inférieur ou égal à 3, de préférence égal à 1, chaque canal présentant une fréquence centrale et une largeur de bande.
[0045] De préférence, les objets connectables 170 sont configurés pour envoyer des messages à la passerelle 110 et la passerelle est configurée pour recevoir et traiter simultanément un nombre de messages inférieur ou égal à 8, de préférence égal à 1. A nouveau, cette restriction permet de réduire la consommation électrique du modem LPWAN 130 et microcontrôleur 111 qui doivent traiter moins de signaux simultanément.
[0046] La passerelle 110 peut comprendre une mémoire pour stocker des messages reçus S321 depuis des objets connectables 170. Lorsque la mémoire est pleine, la passerelle 110 est configurée pour transmettre à la station de base 180 les messages stockés S330. Alternativement, la passerelle 110 envoie les messages stockés dans sa mémoire après un l'intervalle de temps S330 d'une durée comprise entre 1 et 60 s, de préférence entre 3 et 15 s, de manière encore plus préférée entre 4 et 6 s. Si un message à un caractère prioritaire (message d'urgence, alarme incendie, ...) la passerelle 110 transfère immédiatement le message S330 vers la station de base 180. Le modem WWAN 140 est le plus gros consommateur de courant du dispositif. Le réseau WWAN 141 a, par contre, un plus grand taux de transfert que le réseau LPWAN 131. L'utilisation d'une mémoire pour stocker des messages reçus permet donc de réduire le nombre de transferts via le réseau WWAN et donc de réduire la consommation de courant.
[0047] La Figure 2 montre un deuxième exemple de réalisation d'un dispositif
200 selon l'invention (pour la clarté du schéma, toutes les connexions électriques ne sont pas représentées). Dans cet exemple, le dispositif comprend en plus de la passerelle 110, du panneau photovoltaïque 120 et de la batterie 150, un support 210. Par exemple, ce support peut être un support d'antenne parabolique TV ou, alternativement un mât.
[0048] De préférence, les éléments constitutifs du dispositif 200 sont attachés sur le même support 210. La passerelle 110 peut être comprise dans un boîtier 220 résistant aux intempéries, en particulier aux précipitations et est, par exemple, montée à l'arrière du panneau photovoltaïque 120. Idéalement, le panneau photovoltaïque est dirigé vers le Sud et incliné en fonction de la latitude. Par exemple, pour une latitude 50° Nord, l'inclinaison de +60° par rapport à l'horizontale est un bon compromis entre l'inclinaison optimale au solstice d'hiver (environ +70°) et celle au solstice d'été (environ +30°). La batterie 150 peut également être comprise dans un boîtier 230 résistant aux intempéries, en particulier aux précipitations et est, par exemple, également montée à l'arrière du panneau photovoltaïque.
[0049] Le dispositif 200 décrit dans le second exemple, a un coût de fabrication de maximum 100€, de préférence maximum 50€, idéalement maximum 35€. Par exemple, si on prend le budget énergétique décrit au paragraphe [0037], le panneau photovoltaïque 120 doit avoir une taille d'au moins 0.15 m2. Prenons, par exemple un panneau de 0.2 m2, d'une puissance de 20 W coûtant 1€/W. Le coût du panneau photovoltaïque est alors de 20€. Une batterie 150 au plomb permettant de stocker de l'énergie pour 4 jours aurait une capacité d'environ 0.75W/0.8*24h*4jours/12V = 7.5 Ah à 12 V, le facteur 0,8 étant un facteur d'efficacité de la batterie. Le coût moyen par Ah d'une batterie au plomb est d'environ 1€/Ah, le coût de la batterie est donc d'environ 7,5€. Le coût de la passerelle 110 peut être estimé à 10€. D'autres éléments électriques et électroniques (câbles d'alimentation, microcontrôleur 111) sont estimés à 5€. Enfin, le coût des supports mécaniques peut être estimé à 10€. Au total, le coût du dispositif 200 est de :
• Passerelle 110 : 5 à 13€
• Panneau photovoltaïque 120 : 8 à 33€
• Batterie 150 : 4 à 18€ • Électrique et électronique additionnel : 4 à 8€
• Support : 4 à 11€
• Assemblage : 5 à 9€ ;
• Autres : 4 à 8€ ;
Ce qui donne un total de 34€ à 100€.
[0050] La Figure 3 montre un schéma de fonctionnement 300 d'un dispositif 100,
200 selon l'invention. Dans ce schéma, la passerelle 110 est configurée pour limiter sa consommation électrique en organisant les communications avec les objets connectables 170 via l'émission périodique ou quasi-périodique de messages balises S310 sur un canal, appelé canal balise, ledit canal présentant une fréquence centrale et une largeur de bande, lesdits messages balises comprenant chacun :
• une indication d'au moins une fenêtre temporelle pour échanger au moins un message ;
• et/ou une indication d'au moins un canal différent du canal balise pour échanger au moins un message.
[0051] Lorsque le réseau comprend plusieurs passerelles 100, 200, ces dernières émettent leur signal balise à des instants différents. Par exemple, les messages balises sont émis dans des intervalles temporels fixes de la période.
[0052] Les messages balise peuvent aussi comprendre :
· un préambule ;
• soit une indication que la passerelle 110 veut délivrer un message soit qu'elle est apte à recevoir au moins un message ;
• une indication d'un canal pour échanger ce ou ces messages.
Une passerelle peut émettre, dans sa fenêtre temporelle, un signal transportant un message balise. Si la passerelle veut délivrer un message, elle l'envoie à la suite du message balise sur le canal indiqué dans le message balise. Si la passerelle n'a pas de message à délivrer, elle peut recevoir un message d'un objet connectable 170 en :
• écoutant le ou les canaux assignés dans le message balise pour détecter un préambule d'un message ;
· recevant le message.
[0053] Le message balise peut comprendre plusieurs fenêtres et/ou plusieurs canaux. Un objet connectable 170 choisit aléatoirement une des fenêtres et/ou un des canaux S311 pour envoyer un message S320. De préférence, le canal balise n'indique qu'un seul canal sur lequel un objet connectable peut envoyer un message.
[0054] La passerelle 110 peut comprendre une mémoire pour stocker des messages reçus S321 depuis des objets connectables 170. Lorsque la mémoire est pleine, la passerelle 110 est configurée pour transmettre à la station de base 180 les messages stockés S330. Alternativement, la passerelle 110 envoie les messages stockés dans sa mémoire après un l'intervalle de temps S330 d'une durée comprise entre 1 et 60 s, de préférence entre 3 et 15 s, de manière encore plus préférée entre 4 et 6 s. Si un message à un caractère prioritaire (message d'urgence, alarme incendie, ...) la passerelle 110 transfère immédiatement le message S330 vers la station de base 180.
[0055] En résumé, l'invention peut également être décrite comme suit.
Dispositif autonome du point de vue de son alimentation électrique qui est configuré pour : échanger des données avec une pluralité d'objets connectables au moyen d'un premier réseau radio fréquence de type LPWAN et pour échanger des données avec une station de base au moyen d'un second réseau radio fréquence WWAN. Le dispositif comprend une passerelle comprenant : un modem LPWAN et un modem WWAN ; et un panneau photovoltaïque de surface inférieure à 0,6 m2. La passerelle est configurée pour limiter sa consommation électrique en organisant les communications avec les objets connectables via l'émission périodique de messages balises comprenant chacun : une indication d'au moins une fenêtre temporelle pour échanger au moins un message, et/ou une indication d'au moins un canal différent du canal balise pour échanger au moins un message.

Claims

Revendications
Dispositif (100) autonome du point de vue de son alimentation électrique configuré pour :
• échanger des données avec une pluralité d'objets connectables (170) au moyen d'un premier réseau radio fréquence (131), ledit premier réseau radio fréquence étant un réseau basse puissance, longue portée et en étoile de type LPWAN (Low-Power Wide- Area Network) ; et
• échanger des données avec une station de base (180) au moyen d'un second réseau radio fréquence (141), ledit second réseau radio fréquence (141) étant un réseau cellulaire étendu sans fil WWAN (Wireless Wide- Area Network) ; ledit dispositif comprenant :
• une passerelle (110) comprenant : un modem adapté au premier réseau radio fréquence (130) assurant la connexion entre les objets connectables et ladite passerelle, et un modem WWAN (140) assurant la connexion entre ladite passerelle et la station de base ;
• un panneau photo voltaïque (120) assurant l'alimentation électrique du dispositif ; caractérisé en ce que
• la surface du panneau photovoltaïque est inférieure à 0,6 m2 ;
• la passerelle est configurée pour limiter sa consommation électrique en organisant les communications avec les objets connectables via l'émission périodique ou quasi-périodique de messages balises (S310) sur un canal, appelé canal balise, ledit canal présentant une fréquence centrale et une largeur de bande, lesdits messages balises comprenant chacun :
(a) une indication d'au moins une fenêtre temporelle pour échanger au moins un message ;
(b) et/ou une indication d'au moins un canal différent du canal balise pour échanger au moins un message.
Dispositif (100) selon la revendication 1, dans lequel la portée maximum du premier réseau radio fréquence (131) est, en terrain dégagé, au minimum de 1 km, de préférence au minimum de 5 km, de manière encore plus préférée au minimum de 10 km.
3. Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le modem adapté au premier radio fréquence (130) est configuré pour que le taux de transfert du premier réseau radio fréquence (131) au niveau de la couche physique (PHY) soit au maximum de 5 kbit/s, de préférence au maximum de 1 kbit/s, de manière encore plus préférée au maximum de 500 bits/s lorsqu'il émet à sa portée maximale et dans lequel la passerelle (110) est configurée pour émettre sur le premier réseau radiofréquence (131) avec une puissance d'émission maximum inférieure ou égale à 1 W, de préférence inférieure ou égale à 500 mW, de manière encore plus préférée inférieure ou égale à 100 mW.
4. Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la passerelle (110) est configurée pour limiter sa consommation électrique en communiquant simultanément avec les objets connectables (170) via un nombre de canaux de communication inférieur ou égal à 3, de préférence égal à 1, chaque canal présentant une fréquence centrale et une largeur de bande.
5. Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les objets connectables (170) sont configurés pour envoyer des messages à la passerelle (110) et dans lequel la passerelle (110) est configurée pour recevoir et traiter simultanément un nombre de messages inférieur ou égal à 8, de préférence égal à 1
(S321).
6. Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le message balise émit par la passerelle (110) comprend :
· un préambule ;
• soit une indication que la passerelle veut délivrer un message soit qu'elle est apte à recevoir au moins un message ;
• une indication d'un canal pour échanger au moins un message ;
et dans lequel la passerelle est configurée pour
· délivrer un message l'envoie à la suite du message balise sur le canal indiqué dans le message balise ; et/ou
• recevoir un message d'un objet connectable (170) en : o écoutant le canal assigné dans le message balise pour détecter un préambule d'un message ;
o recevant le message.
Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la passerelle (110) comprend une mémoire pour stocker des messages reçus (S322) depuis des objets connectables (170) et dans lequel la passerelle (110) est configurée pour transmettre à la station de base les messages stockés après un intervalle de temps (S330), et configurée pour transmettre immédiatement un message si celui-ci a un caractère prioritaire.
8. Dispositif (100) selon la revendication 7, dans lequel l'intervalle de temps est d'une durée comprise entre 1 et 60 s, de préférence entre 3 et 15 s, de manière encore plus préférée entre 4 et 6 s.
9. Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel la surface du panneau photovoltaïque (120) est inférieure à 0,3 m2, ou encore de manière encore plus préférée inférieure à 0,2 m2. 10. Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, comprenant en outre une batterie (150) alimentée par le panneau photovoltaïque (120) et alimentant le dispositif.
11. Dispositif (100) selon la revendication 10, dans lequel la batterie (150) est une batterie d'une capacité comprise entre 1 et 50 Ah, de préférence entre 3 et 30 Ah, de manière encore plus préférée entre 5 et 15 Ah.
12. Dispositif (100) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel au moins la passerelle (110) et ses constituants sont compris dans un même boîtier (220) résistant aux intempéries.
13. Dispositif (100, 200) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel les constituants dudit dispositif (100, 200) sont attachés sur un même support (210), ledit support (210) étant de préférence un support d'antenne parabolique TV ou un mât.
14. Dispositif (100, 200) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel l'énergie moyenne consommée par jour est inférieure à 48 Wh, de préférence inférieur à 36 Wh, idéalement inférieure à 24 Wh.
15. Dispositif (100, 200) selon une quelconque des revendications précédentes, dans lequel le modem WWA (140) est un modem du type : GSM (1G), GPRS (2G), EDGE (2.5G), CDMA (3G), UMTS (3G), LTE (4G), de préférence le modem
WWAN (140) est un modem GPRS.
16. Dispositif (100, 200) selon la revendication 9 à 15, dans lequel la batterie (150) est une batterie (150) selon la revendication 1 1 , le panneau photo voltaïque (120) est un panneau photovoltaïque (120) selon la revendication 9, le modem WWAN (140) est un modem WWAN (140) selon la revendication 15, ledit dispositif (100, 200) a une consommation d'énergie maximale selon la revendication 14 de sorte que son coût de fabrication est de maximum 100€, de préférence maximum 50€, de préférence maximum 35€.
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