WO2021005289A1 - Système de télécollecte de données - Google Patents

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Abstract

Système utilisant des passerelles locales simplifiées et des objets connectés simples à installer, permettant de transmettre au serveur des données de manière robuste et fiable, notamment à travers le déploiement de capteurs sur une ouvrage d'art ou un bâtiment, ou encore un terrain, pour détecter des mouvements de terrain et anticiper des risques de dégradation. De cette manière, les différentes fonctions des objets d'un réseau local peuvent dialoguer entre eux de manière cohérente.

Description

DESCRIPTION
Titre : Système de télécollecte de données
Domaine de 1 ' invention
L'invention se rapporte au domaine général des réseaux de télécommunication et plus particulièrement à l'Internet des objets. Elle concerne la gestion d'une pluralité d'équipements connectés via une ou plusieurs passerelles locales assurant la liaison entre des objets connectés à un premier réseau radiofréquence et un serveur central via un second réseau radiofréquence sans fil local 3G par exemple.
Depuis maintenant quelques années, l'Internet des Objets - ou IoT pour Internet of Things - se déploie dans le milieu du grand public et dans le monde professionnel. Les objets connectés sont notamment.
Les objets connectés dialoguent entre eux via plusieurs catégories de réseaux : les réseaux de télécommunication filaires, appartenant aux opérateurs traditionnels, qui proposent des technologies de connexion haut débit et longue distance, appelés dans la suite WAN (Wide Area Network) ;
les réseaux radios sans fil, divisés eux-mêmes en différentes catégories :
Les technologies de longue portée à haut débit, de type protocoles mobiles (2G, 3G, 4G, etc.), appartenant aux opérateurs de télécommunication, longue distance, ou encore à bas débit comme par exemple LoRa (de 1 ' anglais Long Range Wide-area), ou Sigfox (un réseau cellulaire à bas débit) ; Les technologies de moyenne portée de type Z-Wave, Wi-Fi, etc.
Les technologies de courte portée, de type NFC (Near Field Communication), Bluetooth, BLE, Zigbee, etc. en plus de ces protocoles radio, certains réseaux lumineux (Li-Fi) voire sonores , équivalents à des protocoles non filaires, peuvent également être utilisés.
Au sein d'un même réseau, tous les objets n'ont pas les mêmes fonctions : certains proposent de remonter des résultats de mesure (capteurs de température, d ' humidité, de mouvement, etc.), d'autres offrent des fonctions de communication ( smartphones , tablettes , etc . ) , d ' autres encore de stockage de données, etc.
De manière générale, les réseaux locaux sans fils fonctionnent en mode diffusé, c'est-à-dire que tous les objets dans le réseau local sont à même de recevoir un message (comportant selon un exemple précédent les données confidentielles d'un capteur), voire de le traiter, éventuellement à des fins frauduleuses, s'il n'est pas chiffré.
II existe aujourd'hui des solutions pour que de tels objets dialoguent entre eux de manière sécurisée. Par exemple les réseaux LoRa et Sigfox susmentionnés permettent de tels échanges via leurs serveurs protocolaires (LoRa, LTEM) . A 1 ' intérieur d'un réseau local, il est également possible de faire dialoguer des objets entre eux de façon sécurisée (par exemple sur un lien BLE - Bluetooth Low Energy, ou par 1 ' intermédiaire de la passerelle de service ) .
Cependant, ces méthodes ne permettent pas de prendre en compte les différentes fonctions des objets d'un réseau local de manière à ce que ceux-ci dialoguent entre eux de manière cohérente .
L'objet de 1 ' invention concerne un système utilisant des passerelles locales simplifiées et des objets connectés simples à installer, permettant de transmettre au serveur des données de manière robuste et fiable. Il concerne notamment le déploiement de capteurs sur une ouvrage d'art ou un bâtiment, ou encore un terrain, pour détecter des mouvements de terrain et anticiper des risques de dégradation.
Etat de la technique
On connaît dans l'état de la technique la demande de brevet américain US2018/026936 décrivant un procédé de résolution d’une adresse IP caractérisé en ce qu’il comprend !
• une étape de réception d’une requête de résolution d’adresse, ladite requête comprenant une donnée représentative d’ une adresse MAC ;
• une étape de recherche, au sein d’une structure de données, d’une adresse IP, en fonction de ladite donnée représentative d’une adresse MAC;
• une étape de transmission de ladite adresse IP.
On connaît aussi le brevet français FR2939590 décrivant un procédé de personnalisation d’une carte réseau destinée à coopérer avec une passerelle de communication, la passerelle permettant de relier un premier réseau de communication à un second réseau de communication, la carte réseau nécessitant des premières données de personnalisation afin de permettre une première liaison de la passerelle avec le premier réseau de communication, la passerelle comprenant, ou coopérant avec, une unité de stockage comprenant des deuxièmes données de personnalisation afin de permettre une deuxième liaison de la passerelle avec le second réseau de communication. Ce procédé comprend les étapes suivantes ! connexion à la passerelle de la carte réseau, ne comprenant pas les premières données de personnalisation ;
détection d’un accès possible à l’unité de stockage par la passerelle ; en cas de détection positive dudit accès, transmission des premières données de personnalisation depuis un premier dispositif de personnalisation vers la carte réseau, via la deuxième liaison
Inconvénient de l'art antérieur
Les solutions de l'art antérieur prévoient des passerelles mettant en œuvre un calculateur pour traiter les données entrantes et sortantes et assurer la translation depuis le réseau local vers le réseau distant . Les traitements réalisés par la passerelle sont consommateurs en puissance de calcul et en énergie électrique, et sont mal adaptées à la concentration locale de données provenant d'équipements connectés de métrologie par exemple.
Solution apportée par l'invention
Afin de remédier à ces inconvénients et de proposer une solution robuste et peu consommatrice en énergie et en temps de calcul, la présente invention concerne en premier lieu un système de télécollecte de données comprenant : une pluralité d'équipements connectés munis chacun d'un module de radiocommunication selon un premier protocole au moins une passerelle comportant un moyen de communication bidirectionnelle selon ledit premier protocole et un second moyen de communication selon un deuxième moyen de communication
au moins un serveur muni d'un moyen de communication bidirectionnelle avec ladite au moins une passerelle caractérisé en ce que ladite passerelle comporte un module de communication selon ledit premier protocole dont l ' entrée et la sortie sont directement reliés respectivement à la sortie et à 1 'entrée d'un second module de communication selon ledit second protocole,
et en ce que
o chacun desdits équipements connectés comporte un moyen de formatage des données à transmettre et de déformatage des données reçus selon un mode déterminé, ainsi qu'un moyen d'enregistrement non volatile d'un identifiant unique [MAC]
o Ledit serveur comportant un moyen de formatage des données à transmettre et de déformatage des données reçues selon ledit mode déterminé
o Ledit serveur comportant une mémoire pour l'enregistrement desdits identifiants uniques de chacun desdits équipements supervisés
o La passerelle comportant des moyens d'ouverture dynamique d'un lien unique avec ledit serveur et des moyens de transmission à chacun desdits équipements de son identifiant unique lors de l'initialisation de la passerelle ainsi que lors de la perte d'un lien.
La passerelle comporte une couche physique et le contrôle d'accès des médias spécifié par le protocole IEEE 802.15.4, et assure le transport transparent et sans modification des données numériques entre le premier protocole exploité par les équipements connectés, et le second protocole.
Avantageusement, ledit deuxième protocole est de type 3G ou autre cellulaire.
L'invention concerne aussi une passerelle pour un système de télécollecte comprenant un premier module de communication bi-directionnelle selon un premier protocole, un second module de communication bi-directionnelle selon un deuxième protocole, l'entrée du second module étant directement reliée à la sortie dudit premier module, sans mémoire tampon, 1 'entrée du premier module étant directement reliée à la sortie dudit second module, sans mémoire tampon.
Avantageusement, la communication entre ledit premier module et ledit second module est en mode FIFO.
L'invention concerne encore un procédé de télécollecte de données provenant d'une pluralité de capteurs connectés à au moins une passerelle par un premier moyen radiofréquence, ladite au moins une passerelle communiquant avec un serveur par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de radiocommunication, caractérisé en ce que Ï
Les données brutes acquises par chacun des équipements connectés font l'objet d'un formatage selon une spécificité enregistrée dans une mémoire local de l'équipement connecté, et sont transmises à la passerelle par le module de radiocommunication local
Les données reçues par la passerelle sont transmises sans modification et sans mémorisation en mode FIFO à un second module fonctionnant selon un second mode de communication au serveur
Le serveur effectuant une déformatage des données transmises par la passerelle pour enregistrer lesdites données brutes dans une mémoire du serveur.
Description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention
La présente invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée d'un exemple non limitatif de l'invention qui suit, se référant aux dessins annexés où :
[FIG.1] la figure 1 représente une vue schématique de l'architecture d'un système selon l'invention
[FIG.2] la figure 2 représente une vue schématique de l'architecture du module radiofréquence. Description de l'architecture du système
Le système comprend des objets connectés (1 à 4), par exemple des capteurs physico-chimiques (1 à 3) et un clavier de saisie (4), communiquant avec une passerelle (10) selon un premier protocole radiofréquence, par exemple 2,4 Ghz protocole Xbee faible portée .
Chaque objet contient un module radiofréquence bidirectif permettant l'émission et la réception de séquences numériques encapsulées selon les spécificités du protocole considéré. Il comporte aussi un ou plusieurs capteurs associés à un circuit électronique pour générer des signaux numériques bruts fonction de l'état du capteur, par exemple un capteur piézoélectrique, ou un capteur de température ou d' hygrométrie . Les données analogiques sont échantillonnées pour fournir un signal numérique, qui est ensuite formaté selon des spécificités enregistrées dans la mémoire d'un processeur local .
Chaque objet contient aussi une mémoire non volatile pour 1 ' enregistrement d'un identifiant unique .
Le formatage des données numériques brutes consiste par exemple à calculer une séquence comprenant : un en-tête correspondant à l'identifiant unique de l'objet considéré
une trame correspondant à une adresse de la passerelle de regroupement
une trame contenant les données numériques brutes
une trame contenant le résultat d'un calcul de validation.
L'objet comporte aussi des moyens de réception et de déformatage de données reçues provenant du serveur (20) via la passerelle (10), et de traitement local de ces données, par exemple : pour modifier le mode de formatage et de déformatage pour activer ou désactiver certaines fonctions de l'objet connecté
pour déclencher le calcul d'une réponse ou d'un acquittement pour vérifier l'intégrité et le bon fonctionnement de l'objet connecté
pour modifier les paramètres de fonctionnement du capteur local .
Fonctionnement de la passerelle (10)
La passerelle (10) est « transparente » pour les signaux reçus d'un objet connecté (1 à 4) et transmis au serveur (20), ou reçu du serveur (20) et transmis à l'un des objets connectés (1 à 4 ) .
Elle comprend un module radiofréquence (11) selon le premier protocole de communication avec les objets connectés ( 1 à 4). Ce module (11) réalise éventuellement la désencapsulation des données formatées, conformément au premier protocole, et transmet les données formatées sans autre modification au module radiofréquence (12) selon le deuxième protocole de communication avec le serveur (20), par exemple 3G.
Ces données sont transmises sans enregistrement dans un mémoire tampon local ni aucun traitement, en mode FIFO.
De même, les données reçues par le module radiofréquence (12) sont éventuellement désencapsulées selon les spécificités du protocole concerné et transmise sans modifications au premier module (11) pour la transmission à l'objet connecté (1 à 4) dont l'adresse figure dans les données reçues . Architecture du module radio-fréquence fil)
Le module radiofréquence présente une architecture illustrée par le block diagramme de la figure 2. Ce module dispose d'une couche physique (15) comprenant un
émetteur/récepteur radio (RF) , avec un mécanisme de contrôle de bas niveau (contrôle de la qualité du signal, détection d 1 énergie et CCA) avec un oscillateur (16) et une sortie est relié à un circuit d ' antenne (17).
La couche physique (15) fournit le service de transmission de données , ainsi que 1 ' interface à l'entité de gestion de couche physique, qui offre un accès à toutes les fonctions de gestion de couche et maintient une base de données d 1 informations sur les réseaux connexes de zone personnelle. Ainsi, la couche physique gère le physique RF émetteur-récepteur et effectue une sélection de canal et les fonctions d’ énergie et de gestion de signal. Il fonctionne sur l'une des trois bandes de fréquences sans licence possibles:
868,0 à 868,6 MHz : Europe, permet à un canal de
communication (2003, 2006, 2011)
902-928 MHz : Amérique du Nord, jusqu'à dix canaux (2003) , étendu à trente (2006)
2400-2483,5 MHz : utiliser dans le monde entier, jusqu'à seize canaux (2003, 2006)
La couche MAC (14) assure la gestion des balises, l'accès au canal, la gestion des GTS (Guaranteed Time Slot) , la validation des trames , etc.
Il existe cependant deux modes de fonctionnement de la couche MAC selon le type de topologie utilisé et le besoin en débit garanti, à savoir : le mode non-beacon utilisant CSMA/CA ; le mode beacon, avec 1 ' envoi à période régulière d'une balise pour synchroniser les dispositifs, garantissant un débit au capteur ayant un GTS.
En résumé, CSMA/CA n'est pas utilisé en mode beacon pour l'envoi de la balise, l'envoi de l'accusé de réception.
De préférence le module fonctionne selon la méthode de réseau "sans balise" (non-beacon) . Cela signifie que le coordinateur reste par défaut dans 1 ' état d ' attente de
données. Le dispositif (1 à 4) qui veut transmettre regarde si le canal est libre. Si c'est le cas, alors il transmet sinon il attend une période aléatoire (définie dans le protocole IEEE 802.15.4-2003).
Lorsque le coordinateur a des données à transmettre à un dispositif, il attend que le dispositif entre en contact et lui demande les données. Le coordinateur envoie alors un accusé de réception de la requête. Si des données sont en suspens, le coordinateur transmet les données en utilisant le même principe (CSMA/CA). S'il n'y a pas de données en suspens, le coordinateur envoie une trame de données vide ( longueur 0 ) . Le dispositif accuse réception des données.
Le mode non-beacon est utilisé pour les capteurs qui dorment la majorité du temps (99 %). Quand un événement se passe, les capteurs se réveillent instantanément et envoient une trame d'alerte. Le coordinateur dans ce type de réseau doit être alimenté sur secteur, car il ne dort jamais i il est par défaut dans 1 ' état d ' écoute d ' une trame d ' événement ou de présence. Dans ce type de réseau, le coordinateur n'émet pas de balise et empêche toute synchronisation des dispositifs.
Cette solution a pour avantage d'optimiser
l'autonomie des batteries des capteurs et d'utiliser le canal uniquement lorsqu'il est nécessaire de transmettre des données utiles. Par contre du fait de CSMA/CA, l'accès au canal n'est pas garanti dans une période donnée (tout dépend de la densité du réseau et du nombre de dispositifs (1 à 4) voulant
transmettre en même temps ) .
La couche de liaison est de type de données ou méthode d’accès CSMA/CA (Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance).
Le module comporte un tampon temporaire de données la transmission de données et l'accueil des signaux, placés dans une file d' attente sans aucune altération ni
modification.
Appariement de la passerelle et du serveur
Lors de sa configuration initiale de la passerelle (10), on enregistre dans une mémoire vive l'adresse IP du serveur
(20).
La communication entre la passerelle (10) et le serveur (20) est réalisé selon un modèle « Socket » permettant la communication inter processus ( IPC Inter Process Communication) afin de permettre à divers processus de communiquer à travers un réseau TCP/IP.
La passerelle (10) procède périodiquement à la vérification périodique de 1 ' ouverture du socket .
Pour cela, lors du démarrage, la passerelle (10) envoie une requête au serveur (20) en prenant en compte l'adresse IP enregistré en mémoire vive, sur le port 80 du serveur (20).
Le serveur (20) répond par l'envoi d'un message contenant 1 ' indication d'un nouveau port XXX et ouvre le pare- feu et se met en écoute. La passerelle commande 1 'ouverture du socket avec le port XXX. Le serveur (20) ouvre le pare-feu pour le port XXX.
Périodiquement, la passerelle (10) envoie un message de contrôle. En 1 'absence de réponse par le serveur, la passerelle (10) commande la ré-initialisation d'une session et la fermeture du dernier port correspondant, ouvert préalablement pour cette passerelle.

Claims

Revendications
1 - Système de télécollecte de données comprenant i une pluralité d'équipements connectés (1 à 4) munis chacun d'un module de radiocommunication selon un premier protocole
au moins une passerelle (10) comportant un moyen de communication bidirectionnelle (11) selon ledit premier protocole et un second moyen de communication (12) selon un deuxième moyen de communication
au moins un serveur (20) muni d'un moyen de communication bidirectionnelle avec ladite au moins une passerelle (10) caractérisé en ce que ladite passerelle (10) comporte un module de communication selon ledit premier protocole dont l'entrée et la sortie communiquent de façon transparente et sans modification du format ni de la nature des données, respectivement à la sortie et à l'entrée d'un second module de communication selon ledit second protocole,
et en ce que
o chacun desdits équipements connectés (1 à 4) comporte un moyen de formatage des données à transmettre et de déformatage des données reçus selon un mode déterminé, ainsi qu'un moyen d'enregistrement non volatile d'un identifiant unique [MAC]
o Ledit serveur comportant un moyen de formatage des données à transmettre et de déformatage des données reçus selon ledit mode déterminé
o Ledit serveur comportant une mémoire pour l'enregistrement desdits identifiants uniques de chacun desdits équipements supervisés o La passerelle comportant des moyens d'ouverture dynamique d'un lien unique avec ledit serveur et des moyens de transmission à chacun desdits équipements de son identifiant unique lors de l'initialisation de la passerelle ainsi que lors de la perte d'un lien.
2 - Système de télécollecte de données selon la revendication 1 caractérisé en ce que ledit deuxième protocole est de type 3G.
3 — Passerelle pour un système de télécollecte conforme à la revendication 1 caractérisé en ce qu'elle comprend un premier module de communication bi-directionnelle selon un premier protocole, un second module de communication bi-directionnelle selon un deuxième protocole, l'entrée du second module étant directement reliée à la sortie dudit premier module, sans mémoire tampon, l'entrée du premier module étant directement reliée à la sortie dudit second module, sans mémoire tampon.
4 — Passerelle pour un système de télécollecte conforme à la revendication 1 caractérisé en ce que la communication entre ledit premier module et ledit second module est en mode FIFO.
5 - Procédé de télécollecte de données provenant d'une pluralité de capteurs connectés à au moins une passerelle par un premier moyen radiofréquence, ladite au moins une passerelle (10) communiquant avec un serveur (20) par l'intermédiaire d'un deuxième moyen de radiocommunication, caractérisé en ce que !
Les données brutes acquises par chacun des équipements connectés (1 à 4) font l'objet d'un formatage selon une spécificité enregistrée dans une mémoire local de l'équipement connecté, et sont transmises à la passerelle (10) par le module de radiocommunication local
Les données reçues par la passerelle (10) sont transises sans modification et sans mémorisation en mode FIFO à un second module fonctionnant selon un second mode de communication au serveur (20)
Le serveur effectuant une déformatage des données transmises par la passerelle (10) pour enregistrer lesdites données brutes dans une mémoire du serveur (20).
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