BE1019502A4 - Sonde pour relever de maniere optique et automatique les afficheurs des compteurs d'eau, de gaz, d'electricite ou de tout autre equipement dote d'un cadran exposant les donnees pertinentes. - Google Patents

Abstract

L'invention a pour objet une sonde pour le relevé de compteurs comprenant un dispositif optique qui transmet périodiquement ou à la demande une image électronique de l'index à un système informatique distant lequel effectue la conversion en données numériques à des fins de suivi ou de facturation.

Description

DESCRIPTION

TITRE DE L’INVENTION

Sonde pour relever de manière optique et automatique les afficheurs des compteurs d'eau, de gaz, d'électricité ou de tout autre équipement doté d'un cadran exposant les données pertinentes.

DOMAINE TECHNIQUE

Selon la classification CEB; l'invention relève essentiellement de la Section G - Physique et plus précisément des sous-domaines: G01 Métrologie Essais / G01D Compteurs / G01F Comptage Volumétique / G01R Mesure des variables électriques,

ETAT DE LA TECHNIQUE

Généralement, les relevés des compteurs que ce soit pour l'eau, le gaz, l'électricité, les calories, se font manuellement. L'automatisation ne semblait pas se justifier dès lors que l'on se satisfaisait d'un relevé par an à des fins de régularisation de la facturation.

Les choses changent néanmoins par le fait d'une prise de conscience écologique et le secteur de l'électricité affiche les plus grandes ambitions: d'ici 2020, des compteurs intelligents auront remplacé les systèmes actuels. Un fournisseur aura à tout moment connaissance de la consommation instantanée d'un ménage mais il pourra aussi intervenir pour moduler cette consommation en fonction de la charge globale de son réseau. Les grands équipementiers s'intéressent de très près à ces compteurs intelligents qui forment un élément essentiel du Smart Grid, un marché mondial gigantesque. Ces nouveaux compteurs déjà au stade de déploiement pilote, relèvent électroniquement les consommations et ils disposent donc des relevés sous leur forme numérique. Sur ce type d'équipement, il est inutile de chercher à numériser l'information depuis l'afficheur car elle est déjà accessible sous cette forme au travers d'un interface électronique du compteur.

Dans le domaine de l'eau, il existe des sondes à effet Hall pouvant être greffées sur certains types de compteurs pour en estimer l'index. Ces sondes restent néanmoins onéreuses, de l'ordre d'une centaine d'euros et elles sont créées spécifiquement pour un modèle précis de compteur. Leur déploiement reste marginal, en raison des coûts associés mais aussi parce qu'il n'y a pas une confiance absolue dans l'information qui en découle. En effet, ces sondes produisent une impulsion électrique à un moment précis de la rotation du compteur. Un système électronique associé au capteur détecte ces impulsions et les comptabilise pour reconstituer une valeur de l'index. Il n'est pas exclu qu'avec le temps, ou par action frauduleuse, l'index réel et l'index reconstitué diffèrent fondamentalement. Néanmoins ces sondes sont d'un réel apport pour détecter au plus tôt les consommations anormales, les fuites, et pour identifier les raisons d'une consommation par trop fluctuante.

Dans le domaine du gaz, on voit en France par exemple, l'initiative de GRDF, filiale de GDF Suez qui planifie le remplacement de ses 11,5 millions de compteurs par des compteurs évolués d'ici la fin 2012.

' D’une manière générale et du point de vue des fournisseurs, l’automatisation viendra avec le renouvellement des compteurs qui seront plus performants et qui consigneront l’index sous une forme électronique aisément communicable par un système filaire ou par ondes.

Pour le consommateur voulant suivre ses consommations, il est possible aujourd'hui de placer ponctuellement des sondes sur ses prises de courant pour mesurer la consommation de tel ou tel appareillage électrique. D'autres sondes agissant plus globalement, peuvent suivre la consommation au niveau d'un compteur électrique. Ces capteurs sont dotés de pinces ampèremétriques qui sont clipsées autour des câbles d’arrivée dans le boîtier du compteur principal. De la sorte la puissance consommée électrique est déduite par la mesuré des courants, tensions et phases. Ces capteurs refont numériquement la mesure de la puissance et par intégration calculent l'énergie consommée.

D'autres systèmes viennent se greffer sur la fenêtre du compteur électrique et ils détectent optiquement le passage du segment noir. A chaque passage, me impulsion est émise à un circuit électronique qui les comptabilise et qui en déduit la puissance consommée. Ces valeurs restent indicatives toutefois, la lumière ambiante peut compromettre les observations, et dans tous les cas l'index réel affiché au compteur échappe à la mesure.

Dans letat actuel de la technique, on peut conclure que l'automatisation des relevés passe par la numérisation et le remplacement massif des compteurs. Cette étape est déjà planifiée pour les secteurs du gaz et de l'électricité. Dans le domaine de l'eau, les initiatives restent plus limitées.

Quant aux consommateurs, déjà sensibilisés aux problèmes énergétiques et environnementaux, c'est manuellement qu'ils relèvent quotidiennement l'index de leur compteur électrique pour approvisionner des outils on-line tel que le consommètre d'Electrabel.

INVENTION

S'il existe bien une approche visant l'automatisation des relevés pour une meilleure gestion des ressources énergétiques, celle-ci est sectorielle et elle va de pair avec un remplacement massif et onéreux des compteurs. Il en est de même pour l'eau où dans différentes villes aux Etats-Unis, on a opéré au renouvellement massif des compteurs volumétriques. A cette approche, nos sondes proposent une alternative complémentaire, pragmatique, déployable à court-terme, compatible avec les stratégies de remplacement annoncées et dont les bénéfices sont immédiats.

Elle est particulière et unique car elle procède optiquement en saisissant une image de l’affichage du compteur qu’elle transmet à un système informatique pour traitement. L'intelligence dans la sonde est volontairement limitée à la capture d'une image de basse résolution, et c'est un algorithme central qui effectue la conversion de ces images en information pertinente.

Elle part d'un constat simple: l'outil informatique permet, par des moyens de vision artificielle et de reconnaissance optique de caractères, de traduire l’image d'un affichage en chiffres.

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En outre, une faible résolution de l'ordre de 72 points par pouce, suffit à cette reconnaissance par ordinateur. Il est dès lors possible d'intégrer des composants relativement bon marché dans une sonde qui met à disposition d'un ordinateur central une image de l'afficheur de tout type de compteurs. Cette sonde conçue’de façon modulaire, s'adapte aux différentes situations de terrain pour proposer à chaque cas de figure une approche de moindre coût aux bénéfices les plus immédiats.

Applicable à tout type de compteur, notre approche par lecture optique est intrinsèquement multi-sectorielle, ce qui permet de mutualiser l'essentiel des éléments d'infrastructure pour l'eau, le gaz, l'électricité, la calorimétrie. En un lieu, le module et les moyens de transmission seront partagées par plusieurs sondes optiques chacune associée au compteur d’eau, de gaz, d'électricité ou encore aux calorimètres.

Au particulier, elle offre la possibilité de réemployer un ordinateur personnel et d'utiliser une simple webcam USB pour automatiser ses relevés sans dépasser un budget d'une vingtaine d'euros.

L'approche modulaire est essentielle car elle permet de s'intégrer dans tous les types d'architectures informatiques.

Dans le cas le plus simple, la sonde communique avec une application sur PC qui collecte les relevés, les analyse et les présente à l'utilisateur sous forme de graphes ou autres tableaux appropriés.

Dans un cas plus complexe, la sonde s'inscrit dans système arborescent à trois niveaux : • A la base, les sondes • un réseau de collecteurs/concentrateurs/convertisseurs • le serveur applicatif

Pour supporter cette diversité, la sonde intégrera les modules appropriés parmi une large palette d'options. Dans le cas simple d'une sonde confinée à une habitation, le module permettra une transmission sérielle, filaire (USB, RS232, RS485) ou non fîlaire (wifï, wireless usb,zigbee).

Par contre, dans le cas d'une société de distribution d'eau comptant des milliers de compteurs, l'électronique embarquée sera amenée à offrir des fonctions plus nombreuses : web service, alimentation par batterie et/ou panneau solaire, communication à longue distance sécurisée par internet, téléphone, gsm, wifï, zigbee,... selon le besoin.

Cette approche modulaire pour l'électronique embarquée, prévaut aussi pour les composants optiques et pour la fixation de la sonde. C'est tde la sorte que nous pouvons répondre, à la grande variété des compteurs et afficheurs qui sont aujourd'hui déployés et dont nous voulons automatiser les relevés sans pour autant obliger au remplacement.

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Voyons maintenant ces différents modules plus en détail.

Module de lecture

Le module de lecture lit l'affichage du compteur pour en produire une image électronique. Son composant essentiel consiste en un capteur optique, typiquement une caméra CMOS de résolution standard, complétée par un système optique.

Sans un tel système optique, l'axe de la caméra devrait être monté perpendiculairement au cadran, ce qui mènerait à un encombrement gênant. Aussi nous disposons un, ou un jeu de plusieurs miroirs de façon à assurer le recul optique nécessaire tout en ménageant l'encombrement de l'ensemble du dispositif.

Dans le premier cas illustré, un miroir placé à 45° suffit pour répondre à ce besoin. Il renvoie l'image de l'afficheur sur un axe horizontal parallèle à la face du compteur sur lequel la caméra viendra se placer. L'encombrement vertical n'est alors que de 3 ou 4 cm.

Nous pouvons bien entendu concevoir d'autres modules optiques pour répondre à la multitude de situations de terrain, ou pour faciliter le traitement de signal.

On notera que deux miroirs ou un jeu pair de miroirs, évitent d'inverser l'image électronique produite par la sonde, ce qui n'est toutefois pas un problème

Certains compteurs encastrés dans des armoires n'offrent parfois qu'un espace très restreint devant leur afficheur. Là aussi nous pouvons agir au niveau du module optique et envoyer l'image vers un espace disponible pour accueillir la caméra CMOS. On disposera alors, au besoin, un système de miroirs, prismes, faisceau de fibres,... pour supporter le chemin optique qui s'impose.

La caméra CMOS, ou CCD est le composant actif du module de lecture, et il n'est pas nécessaire de monter haut dans les résolutions pour obtenir une sonde efficace. Pratiquement, une résolution de 640x480 en noir&blanc suffit au logiciel de reconnaissance des caractères.

C'est là sans doute l'intérêt premier de l'approche: nous pouvons proposer au particulier d'employer une webcam à quelques euros pour disposer à bas frais d'un suivi systématique de ses consommations en eau, gaz et électricité.

Relevons également que d'autres capteurs optiques sont subtilisables à la caméra CMOS ou CCD. Un Contact Image Sensor qui éviterait les miroirs et qui présenterait en outre l'intérêt d'intégrer l'éclairage, est par exemple une piste prometteuse. Malheureusement ces composants sont le plus souvent limités à une seule ligne de capture, et ils imposent dès lors un balayage mécanique de la surface de l'affichage, ce qui pèserait sur la fiabilité et la consommation. Nous sommes néanmoins en contact pour étudier avec divers fabricants la confection d'un CIS array, qui permettrait une capture selon cette technologie et sans pièce mobile.

Module d'éclairage

Le contrôle de l'éclairage est essentiel à la qualité de prise de vue. Pratiquement ce module aura pour fonction de générer la lumière nécessaire et de la propager jusqu'au cadran sans perturber le chemin optique de lecture. Il s'agira donc d'éviter les éblouissements, les réflexions parasites, la diffusion directe sur le module optique et de fournir une lumière homogène sur l'ensemble de l'afficheur du compteur.

On y parvient grâce à des écrans qui isolent le module optique et par un éclairage latéral du cadran, sur ses côtés gauche et droit. Dans le cas d'une webcam dotée d'un éclairage, les leds qui y sont intégrées procurent la lumière nécessaire et des écrans placés dans la sonde conduisent le faisceau lumineux de part et d'autre de la fenêtre de lecture et évitent le rayonnement parasite sur la caméra et sur le chemin optique de la lecture.

Dans d'autres cas, nous disposons latéralement de part et d'autre de l'afficheur, deux leds blanches et nous les alimentons par l'interface USB ou la tension commune aux circuits CMOS.

Stockage, Transmission et contrôle

Le module de contrôle gère l'ensemble de la sonde. Sur base d'une requête de l'application centrale, il déclenche la séquence de capture: allumage de l'éclairage, activation de la caméra, capture d'une image, envoi vers l'application de reconnaissance de caractères, mise en veille. Il gère en outre la transmission laquelle permet les échanges entre la sonde et les applications centrales. Le mode de transmission dépendra des impératifs du terrain et mettra en œuvre le moyen le plus avantageux. En mode fïlaire, les options sont: ligne téléphonique, passerelle internet à laquelle on accédera par réseau Ethernet ou un bus sériel (USB, RS232, RS485). En mode sans fil, on mettra en oeuvre les techniques GSM, UMTS, Wireless USB, Wifî ou un réseau Zigbee. Cette dernière option sera en outre privilégiée lorsqu'il s'agira d'un sonde externe alimentée par batterie avec éventuellement un module solaire.

Dans le cas simple de la première illustration, la sonde est connectée à un ordinateur personnel dont le driver et les applications exercent l'essentiel de la fonction de contrôle.

Le port sériel USB assure la transmission de l'information entre la sonde et les applications. Le PC disposera d'un liaison à Internet s'il faut remonter l'information jusqu'à une application partagée tel que le Google Powermeter ou le consommètre d'Electrabel.

Une telle mise en oeuvre ne nécessite dans la sonde aucune intelligente additionnelle à celle déjà présente dans une webcam standard. Et c'est là l'objectif: offrir une proposition entrée de gamme pour les ménages.

Il est également possible de choisir pour le stockage de l'information plutôt que sa transmission. En ce cas, la sonde incorpore une carte mémoire amovible. Périodiquement, cette carte est envoyée par simple courrier à une gestion centrale et remplacée par une carte vierge pour la nouvelle période.

Boîtier et fixation

Dernier élément mais non des moindres, le boîtier et la fixation réalisent de multiples fonctions.

L'un et l'autre doivent pouvoir s'adapter à la variété de compteurs susceptibles d'être rencontrés. Un compteur d'eau présentera le plus souvent un cadran cylindrique, le compteur électrique aura dans nos régions, une forme rectangulaire avec un large cadran, un compteur gaz disposera d'un cadran plus étroit débordant d'un volumineux corps arrondi.

Un particulier souhaitera pouvoir facilement enlever et replacer le dispositif tandis qu'une société de distribution voudra elle une fixation plus permanente et éventuellement plombée pour prévenir les fraudes.

En outre, comme nous l'avons signalé, les situations du terrain peuvent être contraignantes et obliger à placer le boîtier sur le flanc ou sur la face d'un compteur. Là aussi, nous avons une multitude d'alternatives sous la main.

Dans les cas les plus complexes, le boîtier épousera la forme du compteur et sera fixé par un étrier sécurisé. Dans le cas simple d'une sonde pour les particuliers, le boîtier sera placé sur le cadran même et fixé par des bandes velcro adhésives.

Alimentation L'alimentation fournira aux différents modules les tensions et les puissances qu'ils requièrent. Une configuration complète, pourvue d'un microcontroleur, d'un module d'émission Zibgee, d'une caméra CMOS, afficherait, sous 5 volt, un courant de l'ordre de 500mA à pleine charge et quelques μΑ en mode veille. Une batterie externe, et un panneau solaire viendraient assurer une autonomie complète là où on ne dispose pas de prises électriques.

ILLUSTRATIONS

En guise exemple, le lecteur trouvera au dossier deux illustrations représentatives.

La première dépeint une sonde élémentaire destinée au particulier.

Elle consiste en un boîtier découpé par une fenêtre de lecture et dans lequel se loge un miroir placé à 45°. Ce miroir pivote autour de sa base; ce qui permet à un utilisateur d'interrompre la lecture automatique et d'accéder visuellement à l'affichage du compteur sans pour autant désolidariser la sonde du compteur.

Une webcam USB vient se greffer à l'extrémité opposée du boîtier. Par ce recul, la caméra peut couvrir toute la largeur de l'affichage.

De part et d'autre de la fenêtre de lecture, deux leds blanches assurent l'éclairage de l'afficheur. Elles sont couvertes de coupoles qui concentrent les rayons sur l'afficheur et qui empêchent la lumière de se propager directement vers la caméra ou vers le miroir.

Le mode de fonctionnement est simple, périodiquement un logiciel sur PC vient activer la caméra, et il saisit une image du compteur. Ce logiciel procède alors à l'analyse de l'image qu'il convertit en chiffres et qu'il stocke dans une base de données locale. L'utilisateur peut alors confectionner graphes, tableaux ou envoyer ses indexes par internet auprès de ses fournisseurs. S'il est difficile de disposer le PC à proximité de la sonde, nous proposons de prolonger le bus USB par des techniques standards tels qu'une passerelle Zigbee, WIFI, ou un Wireless USB, une conversion filaire RS485 ou ethernet. Il existe un large éventail de solutions accessibles au grand public.

La deuxième sonde illustrée est plus complexe. Elle est destinée à un gestionnaire d'immeubles à appartements. La sonde comporte ici plusieurs modules: • un module optique constitué par la fenêtre de lecture, deux miroirs, une caméra CMOS montée sur un circuit imprimé • un module d'éclairage conçu sur base de deux leds blanches disposées de part et d'autre de la fenêtre de lecture • un module de contrôle et de transmission, construit sur un simple micro contrôleur et un module de transmission Zigbee • une alimentation par piles, éventuellement rechargeables par l'adjonction d'une unité solaire • on devine le boîtier enveloppe et sa fixation. Ceux-ci assurent la rigidité mécanique de la sonde, la maintiennent fermement et de façon sécurisée au compteur. Le boîtier n'est pas représenté ceci pour ne pas charger le schéma.

Le mode de fonctionnement est le suivant: depuis un site central, un logiciel provoque l'éveil de la sonde. Celle-ci active alors l'éclairage, capture une image, l'envoie au site central, s'assure que la transmission est accomplie. La sonde se met ensuite en veilleuse pour préserver l'énergie.

Outre les cas de figures illustrés, nous couvrons une multitude de situations intermédiaires ou plus spécialisées. Celle par exemple des compteurs à gaz qui nécessitent un décalage de l'axe optique pour placer la sonde sur le corps central du compteur, une autre où les relevés restent stockés dans la sonde en mémoire amovible, et une multitude d'autres variant par les modes de transmission ou la disposition des modules.

Claims (17)

1. Sonde de relevé d'index constituée par un boîtier plastique et des éléments de fixation métalliques, aménagée d'une fenêtre de lecture et d'un éclairage, intégrant un dispositif optique pour le relevé des compteurs d'eau,de gaz, d'électricité, de calories, ou de tout autre équipement doté d'un afficheur et qui transmet une image électronique de l'index à un système informatique pour en faire la conversion en données numériques qui sont ensuite mises à disposition à des fins de suivi et/ou de facturation.

2. Sonde selon la revendication 1 dont le boîtier est réalisé en matériau métallique

3. Sonde selon les revendications 1 ou 2, dont la fixation est assurée par un système adhésif ou semi-adhésif tel que collage, velcro

4. Sonde selon les revendications 1 ou 2 dont la fixation est réalisée dans un matériau plastique

5. Sonde selon l'une des revendications 1 à 4 caractérisée par un dispositif mécanique, optique et/ou électronique permettant la lecture oculaire de l'index sans que la sonde ne soit découplée du compteur.

6. Sonde selon l'une des revendications 1 à 5, dans laquelle le dispositif optique intègre outre le composant actif de capture d'image, un système véhiculant ou transformant les rayons lumineux. Un tel système incorpore au moins un des éléments suivants: miroir plan, miroir convexe, miroir concave, prisme, fibre optique, lentille, écran, diaphragme.

7. Sonde selon l'une des revendications 1 à 6 dont l'élément de capture d'image consiste en une caméra CMOS

8. Sonde selon l'une des revendications 1 à 6 dans laquelle une caméra CCD réalise la capture d'image

9. Sonde selon l'une des revendications 1 à 6 où la capture d'image est réalisée en balayant mécaniquement la surface de lecture (scanning) avec un capteur optique linéaire tel que CIS ou CCD.

10. Sonde selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée par un réseau de capteurs optoélectroniques tel que le CIS array qui effectue une prise d'image par contact et sans pièce mobile.

11. Sonde selon l'une des revendications 1 à 6 caractérisée par l'utilisation d'une webcam complète, USB ou IP, pour la capture et la transmission des images.

12. Sonde selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée par une liaison filaire pour la transmission des données et éventuellement pour son alimentation électrique. Cette revendication inclut l'utilisation de tout type de protocoles propriétaires ou standards comme USB, RS232, RS485,Ethernet, ligne téléphonique ...

13. Sonde selon l'une des revendications 1 à 11, caractérisée par un mode de transmission sans fil, avec ou sans antenne extérieure. Cette revendication inclut l'utilisation de tout type de protocoles non filaires propriétaires ou standards tel que Zigbee, WIFI, Bluetooth, GSM, UMTS,...

14. Sonde selon l'une des revendications là 10 où les images sont stockées dans une mémoire amovible, laquelle est périodiquement acheminée par envoi ordinaire pour approvisionner le système informatique central.

15. Sonde selon l'une des revendications 1 à 14 à laquelle est adjoint une alimentation électrique branchée sur le secteur.

16. Sonde selon l'une des revendications 1 à 15 à laquelle sont intégrées des piles ou des accumulateurs permettant un fonctionnement autonome en l'absence de secteur.

17. Sonde selon l'une des revendications 1 à 16 dotée de panneaux voltaïques externes, éventuellement avec des batteries additionnelles de façon à assurer une autonomie totale jour et nuit.