Réseaux de capteurs pour le bâtiment - CAP’TRONIC

Réseaux de capteurs pour le bâtiment

Philippe Dallemagne, CSEMSéminaire « Capteurs et électronique dans l’habitat »

Le Bourget-du-lac, 30.06.2011

0

1

CSEM

… has revenues (2009) of 70 MCHF, today ~ 400 employees,

five centers in Switzerland & international activities

… is a research and development company, active in

the domains of micro-, nano- and information technology

… is a private company, with mainly industrial, but also

public shareholders, not-for-profit

Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique

2

CSEM presence

Headquarters CSEMNeuchâtel

Regional CenterAlpnach

Regional CenterZürich

Regional CenterBasel

Regional CenterLandquart

3

© Ph. Dallemagne 2011 CSEM | PEBBLE, Réseaux de capteurs sans fil pour le bâtiment | Page 3

• Revenues (2007)

~ 122 MCHF

• VC Capital (1998-2007)

More than 190 MCHF

• More than 500

new jobs created

Our Start-ups

CSEM Centre Suisse d´Electronique et de Microtechnique

4


CSEM’s International Network

Our Partners

Far East

Middle EastBrazil

Tyndall

IMEC


Habitat, bâtiment et systèmes d’informations

• Habitat et information : le bâtiment intelligent ?

• Objectif à court terme : assurer le confort maximum à l’occupant (domotique, « smart home »)

• Objectif à moyen terme : assurer un confort acceptable à moindre coût (« positive energy building », cf. p. ex. Pôle Alsace énergivie)

• Systèmes d’infomation pour le bâtiment

• Réseaux d’informations, pourquoi faire ?

• pour transporter des informations (LAN, télémesures, télésignalisation, internet, téléréseau, téléphone, télésurveillance, etc.), pour gérer des installations critiques comme l’ascenseur, l’éclairage et le chauffage et d’autres moins importantes comme le multimédia, les télécommunications, etc.

5



• Habitat et information : le bâtiment intelligent ?

• Interconnexion des réseaux et des systèmes

• gestion du parc construit,

• « smart grids »

• et plus largement gestion urbaine intégrée, transports y compris.

• Exemples

• MeRegio Mobil (Allemagne), Philips HomeLab (Allemagne), One Tonne Life (Suède), Futurelife (Suisse), Toyota Smart Center (Japon)

• Johnson HomeLink reliant véhicules et habitations

• Comment :

• utilisations de normes comme Ethernet, protocoles IP, CPL

• De réseaux de terrain « propriétaires ouverts » comme S-Bus, Modbus, BACnet, LONworks, TCP/IP, UDP, Profibus, EIB/KNX, DALI, etc.

6



• Problèmes et défis supplémentaires :

• Réhabilitation, post-équipement, adéquation de la solution avec la taille du bâtiment, multiplication des dispositifs (compteurs de tout),

• Motivations pour les réseaux de capteurs sans fil

• Interconnexion et consolidation/cohérence

• ICT4E2B Forum Project (forum créé par la Commission européenne au sujet des modèles de données pour les bâtiments et leur caractéristiques)

• Autonomie : alimentation ou fonctionnement sur piles, récupération d’énergie, etc

• Exemples de projets en cours

• INRIA MENRT, ARESA2, …

• HOMES, PEBBLE, etc.

7


Projet PEBBLE

• Contat simple : nous consommons trop d’énergie

• Surtout par gaspillage

• Consommer moins tout en faisant mieux

Consommation de pétrole par habitant et par jour en 2001

8


Consommation d’énergie: quelques chiffres

• La consommation des bâtiments représente 41% de la consommation totale d’énergie de l’UE (45% pour la Suisse)

• 80% de cette consommation énergétique provient du chauffage, du rafraîchissement et de la production d’eau chaude sanitaire (ECS)

• l’UE a déterminé, en 2007, d’importantes cibles de réduction pour l’année 2020, appelée la stratégie du « 20-20-20 »

• 20% de réduction des émissions de CO2

• Amélioration de 20% de l’efficacité énergétique

• Porter à 20% la part des énergies renouvelables

• La Commission européenne a édicté une directive visant à mettre en place des « systèmes intelligents de mesure qui favorisent la participation active des consommateurs au marché de la fourniture d’électricité »

Aujourd’hui, la consommation énergétique des bâtiments représente 41 % de la

consommation totale d’énergie de l’Union Européenne, et 80 % de cette consommation

énergétique provient du chauffage, du rafraîchissement et de la production d’eau

chaude sanitaire. A la lumière de ces calculs et d’un constat plus global, l’Union

Européenne a déterminé, en 2007, d’importantes cibles de réduction pour l’année 2020,

appelée la stratégie du « 20-20-20: 20 % de réduction des émissions de CO2 par rapport

aux niveaux de 1990, amélioration de 20 % de l’efficacité énergétique en Europe et

porter à 20 % la part des énergies renouvelables dans la consommation énergétique

européenne.

Il est possible qu’en modifiant un de ces 3paramètres permettent une réduction sur un

autre ou sur les 2: par exemple mieux isoler permet, suivant le type de chauffage une

réduction des émissions de CO2.

9


Le projet PEBBLE

POSITIVE-ENERGY BUILDINGS THRU

BETTER CONTROL DECISIONS

PEBBLE

FP7-ICT-2009.6.3: ICT for Energy Efficiency

B. ICT support to Energy-Positive Buildings and Neighborhood

Project Acronym: PEBBLE

Project Number: 248537

Project Start Date: January 2010

Duration: 3 Years

Funded by: EU FP7

Program Name: ICT for Energy Efficiency, FP7-ICT-2009.6.3

http://www.pebble-fp7.eu

PEBBLE Participants

1 Technical University of Crete (GR)

2 Fraunhofer Institute for Building

Physics (DE)

3 RWTH Aachen University (DE)

4 Graz University of Technology (AU)

5 ARMINES (FR)

6 CSEM (CH)

7 Saia-Burgess Controls (CH Morat)

10


EPB: Qu’est-ce?

• EPB = Bâtiment à énergie positive

• Dans tout les cas, EPB sous forme mathématique signifie que

Energie Produite – Energie consommée ≥ 0

• On parle aussi dans certain cas de bâtiment NZEB (Net Zero Energy Buildings)

La différence entre ces 2 vourbes est dans ce cas négative car visiblement on consomme

plus qu’on génére d’énergie mais on voit qu’avec le projet Pebble on tend à dimiuer le

gap entre ces 2 énergies.

Y a plein d’événements, actions imprévues ou comportement imprédictible de

l’utilisatuer qui peuvent affecter (qui rendent difficle le chiffrage) la consommatin

d’énergie et ne font que renforcer l’idée d’ajouter un contrôle du bâtiment qui tient

notamment compte de l’éclairage, chauffage ventilation, ouverture/fermeture des

fenêtre, réglage de la température trop élevée ou trop basse.

11


EPB: Comment?

Problème de stockage de l’électricité si panneau solaire ou éolienne sont utilisés….

Certes il existe néanmoins des moynes de stockage (batterie, pompe hydraulique….)

Les batteries ne sont pas une solution déployable à grande échelle

Energies: solaire, éoliennes, hydro, géothermique, bioenergy,

Cette dernière (osmotique) se base sur le phénomène naturel d'osmose qui désigne le

flux d'un liquide peu concentré vers un liquide plus concentré à travers une membrane

semi-perméable. Appliqué à l'eau de mer sous pression, ce principe peut permettre de

produire de l'énergie. En effet, lorsque de l'eau douce est séparée de l'eau de mer sous

pression par une membrane semi-perméable, elle va naturellement passer dans le

compartiment d'eau de mer et augmenter la pression qui peut ensuite être utilisée pour

faire tourner une turbine et produire de l'électricité.

Biomasse: Il s’agit d’énergie solaire stockée sous forme organique grâce à la

photosynthèse. Elle est exploitée par combustion ou métabolisation. Cette énergie est

renouvelable à condition que les quantités brûlées n’excèdent pas les quantités

produites ; cette condition n'est pas toujours remplie. On peut citer notamment le bois

et les biocarburants.

12


Pebble: bâtiments de démonstration

• 3 bâtiments types

• Un tout nouveau: RWTH, Aachen (Allemagne): bâtiment en construction

• Un ancien: TUC, en Crète (Grèce): bâtiment sans infrastructure de communication

• FIBP, Kassel (Allemagne): le sytème existant devient vieux (10 ans)

13


Minimiser la consommation d’énergie tout en garantissant le confort

14


Minimiser la Consommation d’énergie tout en garantissant le confort

• De base un bâtiment EPB possède:

• Une bonne isolation

• Façade optimisée au rayonnement solaire

• Protection solaire efficace

• Dalles/chapes rafraîchissante

• Refroidissement passif

• Ventilation controlée

15


Plancher rafraichissant/chauffant

Basement slab

Ground floor

1st floor

2nd floor

Système de plancher chauffant irrigué par de l’eau fraîche en été et irrigué par de l’eau

chaude en hiver. Il s’agit plus de rafraîchissement que de climatisation car la puissance

est limitée

16


Ventilation naturelle

� Aération durant la journée

�Puit Canadien

� Rafraichissiment

naturel durant la nuit

Les immeubles delogements BedZED,

Les principaux outils utilisés sont :

- l’orientation au sud de la façade principale,

- le dimensionnement et l’utilisation de fenêtres performantes et à haut rendement

énergétique,

- la mise en place de protections fixes ou mobiles contre la surchauffe estivale

- l’utilisation de matériaux augmentant la capacité de stockage et de redistribution de

l’énergie solaire (masse thermique).

La ventilation naturelle ne nécessite aucun dispositif mécanique pour fonctionner. La

circulation de l'air est induite par la différence de températures entre l'intérieur et

l'extérieur, et les pressions du vent sur l'enveloppe du bâtiment. Chaque pièce de

service du logement possède une sortie d'air raccordée à un conduit d'évacuation

fonctionnant par tirage naturel.

Le renouvellement de l'air d'un logement ventilé naturellement varie en fonction des

conditions climatiques. La ventilation naturelle est le sujet de nombreuses études en

Grande Bretagne. Les extracteurs et les tours à vent sont devenus des éléments de

l'architecture moderne. Les immeubles de logements BedZED, au Sud de Londres, sont

des exemples où le traitement de la ventilation naturelle avec récupération de chaleur

fait partie de la conception architecturale et l'esthétique de l'ensemble.

17


Lumière artificielle et/ou naturelle

• Protection solaire extérieure variable • Lumière extérieure contrôlée• Occupation vérifiée

Divided external solar shading, Daylight dependent controlled lighting, Occupancy controlled-Capter la lumière du jour consiste à la recueillir pour éclairer naturellement un

bâtiment.

La lumière naturelle n'est ni fixe ni toujours égale dans sa qualité et son intensité. Elle

dépend d'abord de la localisation choisie, c'est-à-dire de la latitude et de l'altitude du

site considéré ainsi que de la pollution de l'air à cet endroit

-Transmettre la lumière naturelle consiste à favoriser sa pénétration à l'intérieur d'un

local.

-Distribuer la lumière naturelle consiste à diriger et à transporter les rayons lumineux de

manière à créer une bonne répartition de la lumière naturelle dans le bâtiment.

-Se protéger de la lumière naturelle consiste à arrêter partiellement ou totalement le

rayonnement lumineux lorsqu'il présente des caractéristiques néfastes à l'utilisation

d'un local. Pour atteindre le confort visuel, il est essentiel de se protéger de

l'éblouissement.

-Contrôler la lumière naturelle consiste à gérer la quantité et la distribution de la

lumière dans un espace en fonction de la variation des conditions climatiques et des

besoins des occupants.

18


Panneaux photovoltaïques et thermiqueset pompe à chaleur

19


EPB: en Suisse

C’est sur l’aire d’autoroute de Kemptthal qu’a été érigé le premier complexe de bureaux

à énergie nette nulle de Suisse: le Marché International Support Office. Il reflète

parfaitement la devise de l’entreprise «sain et biologique».

Normes Minérgie et minérgie Eco qui elles n’intégrent pas les fonctions (ou que très

peu) de contrôle. De plus selon la norme minergie, energie consommée < 38

kwH/an/m^2

20


EPB: en Europe (Danemark)

21


Modelisation des bâtiments

• Beaucoup de principes, idées, solutions mais que valent-elles?

• Modèle de simulation détaillé pour tenir compte

• des données météorologiques,

• géométrie, caractéristiques physiques,

• système de chauffage/climatisation,

• système de génération d’énergie,

• ventilation naturelle,

• comportement des utilisateurs

• confort

The first is accurate and efficient simulation models for EPBs (WP2) that incorporate all

passive, active and energy-generation elements

and, given local weather data and weather prediction models, can be used to predict

thermal response, energy requirements, and estimate users’ comfort. These predictive

building models incorporate

physical modeling and depart from more traditional and less reliable data-driven

approaches.

22


Modelisation des bâtiments

• Modélisation logicielle des bâtiments de référence

� Dymola

� 3 étages

� 29 zones thermiques

� 4 types de zones différentes

� Dalle rafraichissante

� Façade ventilée

� Energy Plus

� 2 étages


� Stores extérieures

� Ventilation naturelle

� TRNSYS17

� 3 étages, sous-sol, atrium


� Stores extérieures

� Dalles rafraîchissante

RWTH Aachen FIBP Kassel TUC Chania

23


Modelisation des bâtiments: extérieur

24


Modelisation des bâtiments: résultats

• Écoulement de flux d’air et température à l'intérieur d'un bureau

25


Quid du post-équipement

• Objectif

• Equiper des bâtiment anciens à moindre coût ou à moindre impact

• Cela revient souvent à éviter l’utilisation de câbles.

• Pour la communication

• Systèmes sans fil

• Systèmes hybrides (filaire et sans fil) : fédération « Internet of things » , par exemple IPv6-6lowPAN


Réseaux sans fil

• IEEE 802.11• Aujourd’hui généralisé, mais pas basse consommation. De plus il utilise la bande 2,4 GHz,

plutôt encombré et de portés assez limitée, 2 Mbit/s et plus.

• IEEE 802.15.x• 802.15.1 Bluetooth : très répandu dans les téléphones portables, consommation assez élevé

(version basse consommation) et nombre de nœuds limité à 7 dans un pico-réseau, mode scatternet non implémenté et bande encombrée (2.4 GHz), 1 Mbit/s

• 802.15.4 (+Zigbee) : seul le mode en étoile est réellement basse consommation, sous condition. (2.4 GHz, 250 kbit/s)

• 802.15.6 : dédié au Body Area Network, basse consommation, faible portée, en cours de normalisation.

• IEC Wireless Hart : basé sur les couches basses de 802.15.4 (2,4 GHz) dédié aux applications d’automatisation et de communication industrielles

• X10rf, LON, HomeRF, IoHomeControl, Coronis, etc : solutions propriétaires ouverts

• RFID• Passif : très courants mais limités dans leur fonction

• Actifs : normes variées, hétérogénéité, topologie en étoile.


Réseaux sans fil

• Autres solutions

• EnOcean, Wireless M-Bus, etc.

• Un peu trop simples, efficaces dans un domaine d’applications restreint

• GSM/GPRS

• Présent là où on en a besoin

• Consommation élevée, carte SIM

• Protocoles dédiés à la collecte d’information, parfois à la commande d’actionneurs


Réseau de capteurs sans fil

Ce que nous entendons par réseau de capteurs sans fil:� Très faible consommation d’énergie

� Courte portée

� Large couverture avec Multihop

� Auto-organisé (pas de configuration)

� Se “répare” tout seul

Les éléments clés� Faible consommation (autonomie plusieurs années) grâce

� À des protocoles basse consommation

� A la conception simultanée des parties logicielles et matérielle

� Simplicité du déploiement et de la maintenance

� Système complet (routage, gestion, mise à jour, etc.) y compris localisation

La flexibilité, durabilité et la facilité de déploiement du réseau permettant une

installation rapide et un fonctionnement transparent et à moindre coût, même pour

longtemps car les appareils ont une consommation très faible puissance. Autres

avantages

-Réduire considérablement la taille et le poids du câblage.

-Réduite de façon significative le temps de cycle processus de conception,

-Réduction de la mise en service et des temps d'arrêt

-Capacité à partager l'information, comme de nombreux appareils sont reliés à un

système de communication unique.

-Flexibilité. La solution sans fil nous donne l'avantage de pouvoir déplacer le capteur où

nous voulons aussi longtemps que nous sommes à l'intérieur de la zone de couverture

d'un autre nœud du réseau

-Protocole de routage permet de créer des voies de communication entre les nœuds qui

ne sont pas dans la même zone de couverture

- Faible consommation d'énergie. L'énergie d'un noeud sans fil a besoin pour

fonctionner est fonction du nombre de capteurs a sur la platine du capteur et à quelle

fréquence est mise à jour des lectures des capteurs.

29


Le “sans-fil” et le modèle OSI : exemple CSEM

Wisenet SOC XE 1203 / Coolrisc

CC1100 / MSP 430

CC2420 / MSP 430

WiseMAC (LPL proprietary MAC protocol)

Epidemic routing Cluster-tree routing

HCI Embedded application +

sensor

Embedded application +

sensor

Full 802.15.4

External application / sensor Serial line

HCI

Serial line

External application

Low power Very low power Ultra low

power

Sensor node

Several hardware and sofware platforms, to meet the application requirements

From small standard-compliant networks to large ultra low power networks


Protocoles

• « Medium access control »

• Minimiser les pertes d’énergie

• Garantir des niveaux de qualitéde service

• Routage

• Garanties de bout en bout

• Minimiser la consommation localement et globalement

• Securité

• disponibilité, authentif., integrité, traçabilité, etc.

• Découverte des service et des noeuds

• Positionnement (intérieur, extérieur)


Wisemac

• Protocole basse consommation

• Basé sur les collisions

• Utilise le “preamble sampling”

• Minimise la longueur du préambule de réveil


WSNs – Performances de WiseMAC

Relais d’un paquet de 32 octets toutes

les 30 secondes dans un réseau àrelais multiples.

[période de réveil TW

= 250 ms, et matériel (XE1203 Radio) identiques]

WiseMAC(from CSEM)

DozeSamplingFwd RxFwd Tx

IEEE 802.15.4ZigBee standard

DozeTx BeaconsRx BeaconsFwd Rx UplinkFwd Tx Uplink

S-MAC(from UCLA)

DozePeriodic ListeningFwd RxFwd Tx

Total 304 uW Total 7659 uW (x 25)Total 2318 uW (x 7)


Autres pistes : p. ex. FM-UWB ( ΦΦΦΦ+MAC)

• Soumis à IEEE 802.15.6 Body Area Network WG

• MAC trés basse consommation associé : WideMAC (CSEM)


Réseau de capteur sans fil

Algorithme de commande

Modèle bâtiment

Système passif (ventilation naturelle, ombrage, stores)

Système passif (ventilation naturelle, ombrage, stores)

Infrastructure (chauffage, contruction…)Infrastructure (chauffage, contruction…)

Utilisateur final (confort, décision contraire)Utilisateur final (confort, décision contraire)

Energie renouvelable (solaire, vent…)Energie renouvelable (solaire, vent…)

CapteursCapteurs ActionneursActionneurs

Commandes utilisateur

Commandes utilisateur

AffichageAffichage

Bâtiment

Confort (temp…)

CSEM & SBC(SAIA Burgess Control)

CSEM & SBC(SAIA Burgess Control)Prévisions

météo

Météo suisse: projet nommé opticontrol et fourni heure par heure des infos/prévisions

détaillées

There are three essential elements to the PEBBLE system. The first is accurate and

efficient simulation models for EPBs (WP2) that incorporate all passive, active and

energy-generation elements and, given local weather data and weather prediction

models, can be used to predict thermal response, energy requirements, and estimate

users’ comfort. The third element is efficient and robust Building Optimization and

Control (BO&C) tools (WP3), that use sensor inputs and the thermal models to evaluate

potential scenarios, and take (almost) in real-time decisions for the operation of the

building subsystems with the goal of maximization of the NEP and retaining building

conditions at user-acceptable comfort levels. Building occupants have a dual sensor-

actuator role in the PEBBLE framework.

36


Réseau de capteur sans fil: exemple de déploiement

28

9

5 6

14

Nœuds:2, 8 & 9: toit5 & 6: 1er étage1 & 4: rez

37

Merci

38


Domaine agricole: Vigne

• Capteurs

• l'humidité des sols

• Température et humidité de l'air Soleil (par le biais de cellules solaires)

• Station météo

• Température

• Pression atmosphérique (seul point de mesure)

• Pluie (seul point de mesure)

• Jusqu'à 10 ans avec une batterie Lithium

Irrigation optimale grace à la mesure d’humidité du sol.

39


Détection d'incendie et d'inondation

• Détection et prévision des incendies, les inondations

et leur évolution

• Mise en réseau de capteurs mesurant la

température, pluie, vent et l'humidité

40


Surveillance des mouvements de la roche

Pilote réseau de test: Chandoline, Valais, en Suisse, en coopération avec CREALP (Centre de recherche sur l'environnement alpin) et des technologies de MADD Sarl.

Temperature

Position [mm]

41


Surveillance de la qualité de l'eau

• WSN avec des nœuds mobiles, utilise la localisation

• Interface à des capteurs sophistiqués, récupération de

l'énergie (vague)

42


Mesure du niveau d'eau de rivière

• Capteur télécommandé de mesure du niveau de l'eau, sans accès aux réseaux de télécommunications

• Portée de 500m

43


Surveillance de la santé des ponts

• En collaboration avec l’EMPA

• Mesure des vibrations et contraintes des haubans

• relais dans les locaux de l’EMPA par le réseau GSM / GPRS

44


Applications médicales portables

MBAN

• Bio-Medical• Electroencéphalographie EEG

• ECG électrocardiogramme• EMG électromyogramme (musculaire)

• Pression artérielle

• SpO2

• pH du sang• Capteur de glucose

• Respiration

• Température

• Détection de chute

• Sports– Distance

– Vitesse

– Posture (Position du corps)

– Aide à l’entraînement

45


Localisation d’animaux, personnes et objets

• Basé sur la mesure de puissance

• Nécessite quelques point d’ancrage

• L’infrastructure de communication et de mesure est la même

46


Mesure du permafrost (Glacier Bonnard, Valais)

Glacier se situant au-dessus de Zinal.

La fonte du permafrost agit directement sur la charge en matériau transporté des

coulées et laves torrentielles alimentées par celle-ci. Cela a permis de mieux

comprendre la dynamique de ces systèmes périglaciaires en rapport avec la

problématique du danger « lave torrentielle ».

47

Documents

Réseaux de capteurs pour le bâtiment - CAP’TRONIC