Etude d’un réseau de capteurs environnementaux en … · – Permettre un relevé à distance des mesures de ces capteurs – Mise en place d’un réseau de capteurs sans fil

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29/09/11 1Capteurs, Instrumentations pour l'Environnement et les Géosciences

Etude d’un réseau de capteurs environnementaux en bande ISM

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Anthony MILLOT

ATCOM Télémétrie




Plan

1. Objectifs de la thèse2. Etude expérimentale du canal de transmission3. Etude et développement du prototype4. Concept de récepteur logiciel5. Conclusion et perspectives

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Plan

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Origine de cette thèse

Contexte– Bureau de recherches géologiques et minières (BRGM)

• Etudie la qualité des eaux souterraines (composition, pollution)• Utilise des sondes multiparamètres (pH, T°, Redox,…) dans des forages

Problèmes– Relevé manuel des données sur site– Pas d’analyse en temps réel des mesures

Objectifs– Permettre un relevé à distance des mesures de ces capteurs– Mise en place d’un réseau de capteurs sans fil

• Emetteurs sur les sites de forage (Autonomie)• Récepteur en milieu urbain (Perturbations)• Distance Emetteur/Récepteur >10 km• 1 mesure par jour• Bande ISM à 433 MHz (bande libre de droits)

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Objectifs de la thèse

Etude du canal de transmission

Etude et développement du prototype

Concept de récepteur

Conclusion et perspectives




Les réseaux de terrains actuels

Réseaux actuels– Réseaux denses et complexes– Communications courtes distances (<1km)– Utilisations essentiellement extra-urbaines (peu de perturbations RF)

Conclusion – Les réseaux actuels sont inadaptés aux besoins

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Bande ISM 433 MHz

Bande ISM 433 MHz – Bande de fréquences gratuite mais réglementée– Largeur de 1,74 MHz

• de 433,05 MHz à 434,79 MHz– Puissance d’émission limitée à 10 mW p.a.r– Utilisée généralement pour des liaisons courtes distances

• ex: télécommandes de voitures, portails automatiques, thermomètres d’extérieur…

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Spectre des fréquences



Conclusion et perspectives ...






Système expérimental d’analyse de la bande

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Chécy

Université d’Orléans

10 km10 km

ATCOM Télémétrie

Polytech’Orléans

En réception – 2 antennes directives à

gain (12 dBi) – Amplificateurs faibles

bruits (20dB)– Mât de 4,5 m

En émission– Antenne

omnidirectionnelle– Mât de 16 m de hauteur– Puissance d’émission

ajustable jusqu’à 10 mW






Analyse de la bande ISM 433 MHz

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9Pu

issa

nce

max

imum

reç

ue (d

Bm

)

Fréquence (MHz)

Occupation de la bande ISMdurée d'acquisition de 1h20min Analyse des brouilleurs

– Occupation de la bande






– Etude statistique • Bande très utilisée• Quelques brouilleurs émettent en

continu • 95% des brouilleurs durent moins

d’une seconde• Durée moyenne : 30 ms• Largueur moyenne : ~1,3 kHz• Différence jour/nuit

– Transmissions de nuit plus favorables

Recommandations – Rechercher les fréquences les moins polluées– Transmettre plutôt de nuit




Plan

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Architecture du réseau

Communications RF– Modulation de phase à 2 états (BPSK)– Synchronisation temporelle des émetteurs

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Sonde avec son émetteur

Station relais

Récepteur central


Etude et développement du prototype.....




Sonde/émetteur & station relais

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Sonde Ponsel modèle Aqua50

Electronique commune : émetteur(sonde) et station relais

Microcontrôleur

Horloge temps réelle

Composant radio

Interface SDI12

Batteries

Chargeur Panneau solaire

Structure de l'émetteur



Conclusion et perspectives .....


Matériel– Emetteur/Récepteur RF 433 MHz– Liaison SDI12 avec la sonde– Boîtier étanche IP65– 4 batteries NiMh 2600 mAh

Logiciel– Communications sonde et radio

Résultats– Communications fonctionnelles– Autonomie >1 an





Test du composant RF

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Jour 1Jour 2Jour 3

Carte d’évaluation

Conditions de tests :– Trames similaires aux trames

réelles – Distances simulées (> 10 km)

En labo– Sans brouilleur– ~100% de trames bonnes

Sur le système d’essais – ~40% de trames bonnes à 10 km– 5 à 20% à 40 km


Inutilisable pour le récepteur central brouilleurs





Récepteur radio numérique

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Oscillateur local

20dB 10.7MHz12dBi

CAN14 bits

FPGAVirtex4

30dB

RF front-end carte d'acquisition

Architecture




Matériel – Etage d’entrée analogique– Carte d’acquisition

Logiciel– Programmation VHDL– Récepteur radio logiciel– Logiciel PC

• Affichage temps réel Résultats

– Récepteur fonctionnel et évolutif







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Résultats – Prototype complet et fonctionnel– Récepteur numérique évolutif

Conclusion– Liaisons longues distances

posent problème • Interférences





Plan

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Concept proposé

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Changement de fréquence

Détection

Stockage (Disque dur)

Filtrage spatial

Démodulation et synchronisation bit

Trames

Traitements en temps différé

Traitements en temps réel

antennes






Constats – Très courte durée des

brouilleurs• Gestion en temps réel difficile

– Faible activité du récepteur

Traitements en temps différé Stockage des signaux reçus

Concept– Détection de l’arrivée du

signal – Stockage du signal– Filtrage spatial

• Minimiser les interférences




Réseau phasé

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Réseau de N antennes



Hypothèses :Hypothèses :• champ lointain (onde plane)• signaux à bande étroite

0 1

1

11

1sin( )exp( 2 )

1

sin( )exp( 2 ( 1) )N

c djcN

dc j N

θπλ

θπλ

−

− =

− −

16 antennes (angle 22,5°)

dA0A1AN-1

θ = θ1

C*N-1 C*

1 C*0

τ1τM-1

e(t)

Source




Objectifs – Focaliser le réseau– Annuler les brouilleurs

Méthode retenue – Méthode de Capon

Filtrage spatial

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Simulations

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0- 5 0

0

5 0f o c a l i s é e

t e m p s n o r m a l i s é

ampl

itude

(lin

eaire

)

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 12 0

2 5

3 0

3 5

f r é q u e n c e n o r m a l i s é e

Spe

ctre

(dB

)

0 1 0 0 2 0 0 3 0 0 4 0 0- 2

0

2

t e m p s n o r m a l i s é

ampl

itude

(lin

eaire

)

n u l l i n g

0 0 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . 8 1- 4 0

- 2 0

0

2 0

f r é q u e n c e n o r m a l i s é e

Spe

ctre

(dB

)

8 a n t e n n e s , r a p p o r t s i g n a l s u r b r u i t + b r o u i l l e u r i n i t i a l - 2 3 . 0 2 9 5 d B

f o c a l i s é e

n u l l i n go m n i

s i g n a l

b r o u i l l e u r





Plan

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Résultats obtenus – Mise en évidence de la présence et l’impact des brouilleurs dans

la bande ISM 433MHz– Description d’une architecture pour le réseau de capteurs et

développement d’un prototype– Etude d’un nouveau concept de récepteur validé par des

simulations Perspectives

– Implémentation et amélioration du concept de récepteur– Etendre l’analyse des bandes ISM





Merci pour votre attention Merci pour votre attention

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Anthony MILLOTATCOM Télémé[email protected]




Propagation des ondes RF

Critère de transmission en espace libre– L’ellipsoïde de Fresnel

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Conclusion et perspectives ....


Atténuation due à la distance

AdB=20 . log ( 4 . πc

)+ 20 . log( f )+ 20. log (d )

Emetteur Récepteur

Dégradation du signal RF– Perturbations liées à

l’environnement – Interférences RF

(brouilleurs)






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Conclusion et perspectives ....


Résultats

– L’étude théorique montre la pertinence du concept

• Détection robuste • Annulation de plusieurs

brouilleurs

– Il reste à implémenter le concept et à le tester en conditions réelles

Changement de fréquence

Détection

Stockage (Disque dur)

Filtrage spatial

Démodulation et synchronisation bit

Trames

Traitements en temps différé

Traitements en temps réel


Documents

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