La lettre du LAAS • Juillet 2012 • N° 40

Dossier Adream Le programme de recherche

Nous nous intéres-sons ici à l’Habitatcomme lieu de vie,sur lequel nous

voulons concevoir et déployerdes équipements de confort,de sécurisation des biens etdes personnes et de communi-cation selon des options tech-nologiques économes en éner-gie et respectueuses de l’envi-ronnement. Nos travaux dansce domaine s’appuient sur les

technologies de la micro-électronique et des microsys-tèmes : nous y étudions denouveaux principes de disposi-tifs et de nouveaux procédésd’assemblage pour aboutir àdes ensembles opérationnelsde systèmes de surveillance.

De manière générique , lesystème de surveillance est vucomme une architecture decollecte des données multicap-teurs associée à un poste infor-

Les microsystèmesdans l’habitat

DES CONCEPTS AUX DÉPLOIEMENTS

matique central qui traite cesdonnées et délivre des alerteset des alarmes. Une originalitéfondamentale de ces systèmesest d’appliquer des techniquesde diagnostic par apprentis-sage des habitudes et descomportements des usagers.Cette approche a été appliquéedans la surveillance automa-tique du conducteur automo-bile, dans la surveillance desstructures puis celle des

Les progrès des microtechnologies et de la miniaturisation des systèmes, la réductiondes consommations énergétiques et la multiplication des modes de communicationsans �l invitent au développement d’une « intelligence ambiante » où non seulementles machines, les systèmes et les acteurs présents mais encore les objets seront enmesure de participer à une modélisation spontanée de l’environnement. Il y a dans ledéveloppement de cette « intelligence ambiante » plusieurs niveaux d’interventions :matériaux, dispositifs élémentaires, microsystèmes, mises en réseaux, applications quis’associent pour ouvrir de nouvelles étapes d’innovations.

La sécurité despersonnesâgéesest une desapplicationsdes travaux derecherche sur lesmicrosystèmesdans l’habitat.

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La dernière décennie avu l’émergence d’unenouvelle thématiquede recherche autour

des systèmes cyberphysiques,aussi appelés l’Internet des objets,se basant sur de nouvelles générationsde réseaux de capteurs sans �l intelligents.L’Internet des objets (Internet of Things) viseà déployer des réseaux de capteurs ultraminiaturisés présentant des consomma-tions les plus faibles possibles a�n degarantir des durées de vie les plus longuespossibles. Il s’agit d’un domaine en pleinee�ervescence de par sa transversalité et lamultiplicité des applications qui sont envi-sagées et de par les nouvelles approchesqu’il autorise en ce qui concerne l’instru-mentation avancée et distribuée etl’échange de données diverses à des débitsvariables. Ces réseaux de capteurs denouvelle génération auront des applicationspour l’instrumentation et le test, lasurveillance des environnements indus-triels, l’amélioration de l’environnement desvilles, la prévention des accidents et lasanté.

Plusieurs dé�s technologiques sont rele-vés sur chaque élément du système, le déve-loppement de capteurs innovants trèsbasse consommation utilisant les nano-technologies, par exemple ; la récupération,le stockage et la gestion de l’énergie, tout enminiaturisant les circuits concernés ; ledéveloppement d’architectures de commu-nication sans �ls recon�gurables à faibleconsommation et forte immunité contre lesinterférences ; le développement decouches MAC (Media Accès Control) déter-ministes et de faible consommation ; l’in-clusion de nouveaux services dans lesréseaux tels que la synchronisation deshorloges ou la localisation.

Un autre grand dé� technologique se pose pour l’intégrationsystème sur substrat souple du nœud capteur communicant conte-nant le capteur lui-même, les circuits de communication sans �l et lapartie récupération, stockage et gestion d’énergie. L’intégration sursubstrat souple permettra de positionner ce réseau de capteurs mêmedans les endroits les plus di�ciles d’accès tout comme sous forme depatch non invasif sur la peau pour des applications médicales.

L’apport majeur des travaux de recherche porte sur la couchephysique en utilisant une nouvelle technologie de type UWB (UltraWide Band) complètement recon�gurable en fonction des demandesde l’application, toute en restant de très faible consommation, critèreessentiel pour les réseaux des capteurs. Des circuits de très faibleconsommation et très performants, en technologie CMOS avancée,pour les communications à 60GHz ont également été conçus etimplémentés. Un nouveau protocole de communication de niveauMAC avec une synchronisation d’horloge qui permettra entre autreune encore plus faible consommation a été conçu, développé et implé-menté. Un procédé technologique novateur d’intégration substratsouple a été développé dans la centrale de technologie du LAAS pourl’intégration système du nœud communicant. La plateforme decommunication sans �l ainsi intégrée sur substrat souple est complè-tement modulable en fonction du type de capteur. L’architecture decommunication étant recon�gurable, ce type de nœud communicantpeut répondre à des applications très diverses du monde industriel,des communications dites Machine to Machine et contribuer à l’avè-nement des systèmes cyberphysiques.

Contact : Daniela Dragomirescu, daniela@laas.fr

Nouvelle génération deréseaux de capteurs sans fil

Nœud capteurcommunicantintégré sur substratsouple.

Plus petits, plus �ables et recon�gurables en fonction des applications, adaptables enfonction des types de capteurs et intégrés sur substrat souple, une nouvelle générationde réseaux de capteurs sans �l développés au LAAS représente un apport déterminantà l’avènement des systèmes cyberphysiques.

Prototype d’architecture decommunication

(couche MAC and PHY) avec haute précisionde synchronisation d’horloge.

Dossier Adream Le programme de recherche

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talement motivé par la préven-tion : on envisage de l’équiper decapteurs de sécurisation et demesures physiologiques (tempé-rature, rythme cardiaque,...) etd’un système de communica-tion en lien avec l’infrastruc-ture du bâtiment à intelligenceambiante. La vision extrême duvêtement intelligent est lebadge porté à même la peau.Le LAAS développe un badgeminiaturisé multifonctionnelcomportant un accéléromètreet une interface de communi-cation ZigBee. Cette option debadge porté à même la peauest incontournable pour lespatients atteints par la maladied’Alzheimer qui rejettent tousles systèmes habituels tels quecolliers ou bracelets. Le place-ment dans le dos semble unebonne voie de développementqui pourra être largementexploitée par toutes les mesu-res physiologiques dans lecadre Adream.

Assistance robotiséeL’idée de base de l’assistancerobotisée est la sécurisationultime des systèmes complexespouvant connaître des défail-lances catastrophiques, où ilfaut préserver des vies humai-nes et sauvegarder certainesfonctionnalités vitales. La fina-lité ne se limite donc pas àsurveiller, diagnostiquer etalerter d’un risque identifié, dedéfaillance grave, elle veut allerjusqu’à la sécurisation d’ur-gence automatique. Adreamconsidère en priorité deux casd’application : la sécurisationpersonnalisée de personnesâgées à domicile et la sécurisa-tion de fonctions vitales ou depersonnes en cas d’alerte, unincendie, par exemple.

On connaît l’importance desexercices de sécurité pour anti-ciper les gestes à effectuer encas d’alerte réelle : il faut êtreen mesure de décider d’actionsrapides pour sauvegarder toutce qui doit ou peut l’être : fonc-tions énergétiques, guidagedes personnes par exemple oùdes fonctions d’assistancerobotisées et de sécurisationsultimes doivent être imagi-

nées ! Dans ce cadre, Adreamsera utilisé pour explorer enparticulier deux scénarii, lespersonnes âgées et l’évacua-tion de personnes.

Prenons le scénario 1, lespersonnes âgées. Une person-ne est censée vivre seule àdomicile. Elle est handicapée,âgée ou atteinte d’une maladiechronique grave. Elle estsurveillée par un système decapteurs distribués caractéri-sant son environnement et sonétat physiologique. Les don-nées courantes la concernantsont collectées et disponibleset son dossier historique estaccessible localement ou àl’hôpital. Le système de surveil-lance de base peut diagnosti-quer des alertes et mettre enroute un système robotique desauvegarde avec trois objectifs :valider et caractériser l’alerte,alerter les bons intervenants etpratiquer les premiers soins.

Second scenario, l’évacua-tion des personnes. Une alerteincendie est déclenchée. Lespersonnes évacuent. Une per-sonne, pour diverses raisons,manque à l’appel. Il faut lalocaliser, protéger son environ-nement par des actions ad hoc,lui porter secours et lui prodi-guer les premiers soins.

Déployés et distribués enréseau dans l'habitat, ces"smart objets" associant micro-systèmes et capacité à analyser,apprendre, communiquer offr-ent de nouvelles perspectivesau « smart home control »dédié aussi bien aux objetsqu'aux occupants de la maisonrendue intelligente.

Cette « intelligence am-biante » source d'innovationsse décline au travers de nou-veaux « systèmes de surveillan-ces connectés », autonomes enanalyse, en diagnostic et deplus en plus en énergie ; où lesacteurs présents mais aussi lesobjets participent activement aune modélisation spontanée etévolutive de l’environnement.

Eric Campo,Jean-Yves Fourniols

et Daniel EstèveContact : Eric Campo,

Eric.Campo@laas.fr21La lettre du LAAS • Juillet 2012 • N° 40 20

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personnes. Les activités relatives à l’habitatpeuvent se décliner en trois objectifs appli-catifs principaux : le confort, la sécurisationdes biens et la sécurisation des personnes,notamment des personnes âgées mainte-nues à domicile.

Confort et sécurité de l’habitatL’applicatif est ici d’apporter à l’habitat leconfort thermique (été/hiver) en s’appuyantsur l’énergie électrique, activité soutenuepar EDF R&D qui a donné lieu au dépôt debrevets. Le système ERGDOM qui a découléde ces travaux s’appuie sur la mise en œuvredans toutes les pièces de l’habitation decapteurs de présence dont les donnéesrecueillies permettent de gérer de manièretrès économe l’énergie nécessaire auconfort en réduisant provisoirement lesconsommations dans les zones inoccupées.L’ambition du système est d’être entière-ment automatique grâce à des techniquesd’apprentissage des habitudes et desexigences pour prédire le besoin usagerdans les conditions de temps réel etcommander directement les appareils dechauffage et de climatisation. La sécurisa-tion des biens peut être traitée par unréseau de capteurs semblable à celui utilisépour détecter la présence mais avec destraitements qui seraient axés sur la détec-tion d’intrusions. L'accéléromètre embarquéest très intensément utilisé dans deuxgrands axes d’applications : la surveillancedes biens et le suivi des personnes. Dans lecas de la surveillance des biens, l'accéléro-mètre est attaché à l’objet que l’on surveille

et détecte tout déplacement anormal de cetobjet. L’idée a été exploitée par le projetindustriel Domotag sous la forme d’unsystème de surveillance multi-objets dansun réseau de communication local. Lacapsule Domotag intègre un transceiver RF,un accéléromètre MEMS trois axes et unprocesseur faible énergie embarquant un

traitement du signal, breveté, pour garantirune durée de vie de plusieurs années surpile.

Sécurisation de personnes vulnérablesL’accélérométrie est une composante de lasécurisation des personnes notamment

dans le suivi physiolo-gique et la détection

de chute. Plusieursquestions ont étéétudiées : l’analysede la qualité et la

reproductibilité de lamarche ; l’analyse de l’ac-

tivité physique corré-lée avec le rythmecardiaque… Le main-tien à domicile despersonnes atteintes

de maladies chro-niques ou des personnes

âgées est un objectif socialement bien iden-tifié qui a fait l’objet de nombreux travaux :des solutions de première génération sonten cours de test et d'évaluation (projets :PROSAFE, HOMECARE, BéA, SACHA). L’analysedes trajectoires de déambulation despatients, notamment pendant la nuit, apermis de proposer un nouveau mode dedétection des chutes en détectant l’immo-bilité du patient. HOMECARE est unprogramme en cours plus ambitieux dans lamesure où il vise une surveillance de jour etde nuit, dans la chambre et dans son envi-ronnement immédiat : autres pièces de l’ha-bitat et jardin, en faisant en sorte que lepatient porte une « étiquette » pour l’iden-tifier tout au long de ses déplacements. BéApropose une géolocalisation des patientsindoor et outdoor, par la conception d’unbracelet et d'un terminal porté et de logi-ciels de « géofencing ». Plusieurs technolo-gies de localisation ont été couplées à cetteoccasion : balises IR, Zigbee, WiFi, GPS.SACHA développe en partenariat avec lasociété SIGFOX un patch et un nouveausystème de communication radio de trèsfaible consommation à destination despersonnes atteintes de maladies chro-niques.

L’axe d’expérimentation Adream : lalocalisation et l’assistance aux personnesâgéesCes trois objectifs de recherche : Confort,sécurisation des biens et des personnesvont bénéficier des installations du bâti-ment expérimental Adream. Les points fortsde ces démonstrations sont notamment lebadge porté et l’assistance robotisée. Ledéveloppement du concept de vêtementsintelligents à usage médical est fondamen-

Systèmes embarqués autonomes mobiles (sansfil) : conduite, supervision et diagnostic dansles domaines de l’aéronautique, de l’espace,des transports, de l’environnement

Santé• Domotique médicale : assistance aux personnes

âgées ou handicapées, maintien à domicile(détection de chutes, analyse d’activités)

• Prévention des accidents• Vêtements intelligents à usage médical• Réalité augmentée (enrichissement action,

perception)• Gestion sécurisée des données médicales (dossier

médical) et génétiques (épidémiologie)Habitat, maison intelligente• Confort thermique• Sécurisation des biens et des personnes• Economie d’énergieLieux de vie et de travail intelligents• Robots compagnons de l’homme• Robots équipiers de l’homme en milieu industriel• Vidéo-surveillance pour la détection et la

reconnaissance d’activités humainesEnvironnement, énergies renouvelables• Réseaux électriques du futur (smart grid)• Compteurs électriques intelligents• Industrie photovoltaïque (systèmes d'intégration

intelligent, du panneau solaire au système local enpassant par l'intégration dans le bâtiment et lestockage de l'électricité)

• Gestion et conversion de l'énergieInternet des objets (objets communicantsintelligents, communication nomade)• Télécommunication mobile• Déploiement de services interactifs sur des

appareils mobiles portés par l’homme(smartphone) : réseaux de capteurs dans des lieuxpublics (centre commercial, rue, hôpital…). Aide à lanavigation, localisation, diffusion d’informationsgéolocalisées…

• Gestion sécurisée des données personnelles oupartagées : sécurité des interactions dans le cyber-espace, protection des données de localisation despersonnes (géolocalisation)

Milieu industriel, sites sensibles• Vidéo-surveillance pour la sécurisation de sites

sensibles• Robotique d’intervention en milieu hostile :

exploration, recherche et sauvetage (search andrescue)

• Sécurité civile : instrumentation, test, surveillanceen environnement industriel

• Aide à l’évacuation des personnes• Usine virtuelle du futurTransports• Surveillance des systèmes de transport (prévention

des dangers, gestion du trafic)• Contexte mobilité ubiquitaire (mobiquitaire) : co-

voiturage dynamique, calcul d'itinérairesmultimodaux en temps réel et réseau social mobiledans le respect de la vie privée

Patchavec accéléromètrepour analyseactimétrie.

Tagavec technologieZigbee.