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15 may 2017 | La Revue POLYTECHNIQUE

Reconnaissance des formes et contrôle des capteurs

Martin Motz*

Le microcontrôleur Intel® QuarkTM SE entreprend un premier pas dans le sens de l’Internet des objets en bordure de réseau (Edge IoT). Équipé d’une technologie de reconnaissance des formes et d’un contrôleur de capteurs, il élargit la continuité d’un réseau IoT jusqu’à ses extrémités intelligentes.
La technologie de reconnaissance des formes renvoie à une matrice neuronale capable de classer des contenus par comparaison directe à des formes données. La matrice est une mémoire performante, mise en parallèle et associative (mémoire à contenu adressable, ou CAM pour Content Addressable Memory), qui n’est pas en relation directe à un noyau MCU supplémentaire, ni à un jeu d’instructions ou à un compilateur. L’IP matériel intégré, un bloc fonctionnel spécial d’Intel, repose sur un réseau d’unités de calcul parallèle, les neurones, en vue de la concrétisation d’algorithmes KNN et FBR (K-nearest neighbor, fonction de base radiale).

Le microcontrôleur Quark SE comporte, sur la base du processeur Intel Quark compatible avec le microprocesseur Pentium 586 ISA, un jeu d’instructions compatible.
 
Le microcontrôleur Quark d’Intel.
 

 
La mémoire associative
Dans le cas des mémoires classiques, l’adressage avec des adresses explicites renvoie régulièrement à une structure; les zones de stockage ainsi définies sont tout d’abord occupées par une valeur «vide». La programmation est basée sur des règles. La mémoire associative, en revanche, recourt par association de contenus, à des contenus de mémoire distincts. L’organisation structurelle est d’ailleurs dépendante de chaque accès. Dans la mémoire associative idéalisée, les zones de stockage ne sont créées que là où des processus d’écriture ont eu lieu auparavant. L’accès à un contenu s’opère par l’entrée d’une valeur mémoire et non par une adresse mémoire.
La mise en place de mémoires associatives est difficile dans la mesure où même des entrées imprécises doivent mener à un même résultat escompté. Ce point peut être résolu au moyen de réseaux neuronaux. La clé du succès – c’est-à-dire en vue du traitement correct d’une forme – réside dans la mise en exercice convenable du réseau neuronal. Et la technologie de reconnaissance des formes du microcontrôleur Quark SE permet cela.
 
La reconnaissance des formes
Le bloc fonctionnel intégré d’Intel pour la reconnaissance des formes permet d’analyser des scénarios complexes, grâce à un prétraitement inédit et hautement efficace des signaux, et ce, beaucoup plus rapidement et mieux qu’avec une programmation logicielle classique. En outre, selon le profil d’utilisation, cette solution est souvent plus facile à mettre en œuvre et ouvre par ailleurs de nouvelles perspectives d’application.
Le bloc de reconnaissance des formes du microcontrôleurQuark SE constitue une matrice dynamique et reconfigurable. En étant abandonnée dans sa lourdeur, la programmation basée sur des règles se voit exposée en même temps à la possibilité d’une reconfiguration en termes de contenu, d’un autodidactisme ainsi que d’une approche successive. Elle peut permettre de classer n’importe quel type de données. Cela implique de comparer les données nouvellement entrées avec les données présentes et acquises dans le microcontrôleur et de les identifier avec la plus grande concordance.
Par rapport à la programmation traditionnelle selon des règles, la technologie de reconnaissance des formes intégrée offre certains avantages:
•   Déroulement standardisé et automatisation de l’évolution des algorithmes.
•   L’analyse adaptative rend possible l’apprentissage continu et la précision.
•   Temps de reconnaissance constant par étape, indépendamment du volume des données.
•   Temps de développement raccourci pour les algorithmes, d’où délai de mise sur le marché raccourci.
 
Le potentiel de la technologie de reconnaissance des formes est parfaitement exploitable, notamment dans les cas d’utilisation particuliers et compliqués.
 
 
 
Le contrôleur de capteurs
Le microcontrôleurQuark SE se caractérise, en guise de nouveauté, par son contrôleur de capteurs intégré, servant au balayage régulier de signaux d’entrée de capteurs, ainsi qu’à la reconnaissance des formes en vue de l’ordonnance de la reconnaissance des activités et des gestes. Grâce à l’intelligence de la technologie des capteurs et des terminaux dans l’environnement direct, il est possible de réduire le volume de données dans les réseaux. Ainsi, la sollicitation des capacités de passerelle, de même que les coûts de maintien de la bande passante sont minimisés.
Du fait de l’exécution de signaux de réveil programmables, l’unité fonctionnelle intégrée contribue à optimiser la consommation d’électricité. En raison de l’état de veille du CPU, il en résulte, notamment lors d’interrogations fréquentes de plusieurs signaux d’entrée de capteur en mode «toujours à l’écoute», un effet notable d’économie d’énergie associé à une durée prolongée des accumulateurs.
Le sous-système pour capteurs représente une solution matérielle et logicielle intégrée destinée aux activités de commande pour le traitement des signaux analogiques et numériques; il sert à délester le processeur hôte, ainsi qu’à traiter les données de capteur en mode de fonctionnement de puissance faible par rapport au processeur hôte. Le processeur de 32 bit requis, qui est un processeur de signal numérique ARC EM4 DSP, dispose de blocs fonctionnels étroitement couplés pour l’accès à temps de latence minimal.
Le sous-système pour capteurs comporte une série de jeux d’instructions spécifiques à Intel, en vue du calcul des fractions, du traitement de nombres complexes, de la génération des fonctions sin/cos, ainsi que des unités de calcul en virgule flottante (FPU). Cela induit un accès à un cache d’instruction 8KB L1 ainsi qu’à une mémoire 8 kB Data CCM (Closely Coupled Memory, mémoire étroitement couplée).
Il existe, en vue de la connexion de capteurs, un accès à la conversion analogique-numérique 12 bit pour dix-neuf canaux au maximum, ainsi que seize ports GPIO. Les connexions de bus de données sérielles existent sous les formes 2 x I2C Master (standard / FM) et 2x SPI Master (16 MHz avec quatre chip selects).
Le sous-système pour capteurs dispose d’un compilateur distinct pour la génération d’un fichier binaire. Pour l’heure, le choix est opérable parmi une source ouverte, un compilateur basé sur GCC avec Eclipse Plug-In de GitHub et un Designware IDE de Synopsys.
Le contrôleur de capteurs, tout comme la technologie de reconnaissance des formes, sont réalisés en tant que solution matérielle complètement intégrée, de sorte que l’approvisionnement en composants supplémentaires ne génère pas de coûts.
 
Les domaines d’application
Grâce à la reconnaissance des formes en rapport avec le contrôleur de capteurs, le microcontrôleurQuark SE permet la reconnaissance et l’analyse de modèles de comportement et d’activité, l’authentification biométrique, l’entretien préventif, y compris sur la base du télédiagnostic, ainsi que l’analyse de données à haut débit dans les réseaux de capteurs, ce qui constitue des applications inédites. En voici quelques exemples:
 
La protection des personnes
Lorsque des mineurs, des pompiers ou d’autres agents intervenants dans des milieux à risques, portent des capteurs personnalisés, il est possible d’enregistrer toutes les données importantes afin de garantir leur sécurité. Cet équipement comprend ce qui suit:
  • Un dispositif de reconnaissance des gestes au niveau du tronc et des bras
  • Un moniteur d’activités intelligent directement placé sur le corps, pour la reconnaissance des activités
  • Un détecteur de gaz
  • La surveillance des pics de pulsation
  • La détection de CO2 in situ
  • La localisation ainsi que recueil de données des capteurs in situ (capteurs mobiles multiples)
  • Le contact avec le premier interlocuteur sur place (le cas échéant par WiFi à l’intérieur d’un local)
  • La collecte de données dans le nuage
  • La visualisation mobile dans la partie supérieure du réseau
  • La surveillance de gradation du traitement des données de capteurs (dites éléments PoC)
 
Compteur communicant et passerelle en domotique
Dans le cadre des mesures de la consommation, l’entrée du microcontrôleur est reliée, via une unité analogique, à des capteurs de tension et de courant pour la mesure de la consommation. Au cours du traitement de grandes quantités de données, les résultats sont affichés sur un écran externe et enregistrés. Grâce à la liaison avec un «Intel Home Energy Gateway» et une interface RS485, les données sont mises à disposition dans un réseau étendu.
Une telle collecte de données énergétiques basée sur l’IoT, de même que leur traitement, constitue une technologie essentielle dans le cadre d’une gestion de l’énergie. Grâce au Quark Core intégré, les modules Quark permettent l’intégration totale dans un réseau de gestion énergétique (Energy Management Framework) et donc une réduction importante du travail pour les fournisseurs de solutions.
Le réseau «bout-en-bout» d’Intel assure la disponibilité des éléments matériels et logiciels en vue de la liaison des appareils des systèmes énergétiques dans le nuage. Il permet également de gérer le système télécommandé et d’identifier les possibilités d’une réduction drastique de la consommation d’énergie. Il s’étend de la passerelle de gestion de l’énergie pour la mise en réseau de l’énergie et des capteurs, aux solutions de gestion des appareils côté nuage, qui sont en réseau avec les systèmes clients.
 
 
 
Télédiagnostic de surveillance de moteur
La télésurveillance d’un moteur nécessite une entrée de données pour Bluetooth® et le protocole USB, ainsi qu’une interface utilisateur pour le JTAG. Le traitement interne des données se fait en rapport aux éléments ou vecteurs x, y, z, au moyen d’une capacité de stockage externe élargie. À cela s’ajoutent des entrées de capteurs avec une communication bidirectionnelle pour la mesure de l’accélération et de l’intensité du champ magnétique, ainsi qu’un microphone à ultrasons.
Le microcontrôleur Quark SE présente des possibilités suffisantes pour sécuriser la connectivité ou pour assurer les connexions câblées. La version actuelle renonce à des blocs fonctionnels intégrés sans fil en vue de la structuration d’une communication sans fil. Or ces blocs sont pris en compte dans la feuille de route pour 2017/2018. D’autres composants sont requis en vue de la mise en œuvre d’applications mobiles d’appareils et de cartes.
En ce qui concerne les caractéristiques d’économie d’énergie, microcontrôleur Quark SE ne peut certainement pas satisfaire toutes les attentes. Lorsque l’on compare le modèle Quark D2000 – la série précédente de même technologie dans un boîtier QFN40 – avec un produit concurrent de la catégorie Cortex M0+ (32 bit, 32 MHz), on constate pour le microcontrôleur Quark SE, une consommation cinq fois plus élevée en mode de coupure d’alimentation.
Dans la mesure où les microcontrôleurs de 8 bit et 16 bit sont fréquents pour les applications à puissance faible dans l’environnement Edge IoT, il peut s’avérer problématique de réaliser les durées de fonctionnement requis des appareils en mode de stand-by sur la base de la gamme Quark. Toutefois, la fonction de contrôle des capteurs du microcontrôleur Quark SE offre des possibilités de réduction des durées de fonctionnement du mode «CPU Run» en mode «toujours à l’écoute», ainsi que de baisser la consommation de courant.
 
La continuité jusqu’à Edge IoT
Le processeur core Quark d’Intel, qui est compatible avec le Pentium 586 ISA et comporte un jeu d’instructions largement compatible avec Pentium en général, nourrit, à juste titre, l’imagination d’une intégration simple et intransitive aux structures de réseaux en plate-forme d’Intel, ainsi qu’à tous les avantages au service des clients finaux.
La plate-forme Intel IoT englobe des modèles pour les architectures de référence dédiées à la liaison de différentes extrémités, ainsi qu’un écosystème propre en vue de l’application de liaisons sécurisées d’appareils électroniques, y compris en matière de recours à des solutions venant d’autres fabricants. Cette plate-forme permet la mise à disposition de données fiables dans le nuage. Elle représente un avantage manifeste par rapport à la possibilité d’une exploitation des données (Data Analytics).
Le recours à des produits d’Intel, tels que le microcontrôleur Quark SE au sein de cette plate-forme, induit de précieuses synergies pour les opérateurs de réseaux, comme pour les utilisateurs. En parallèle, la sécurité peut être intégrée dans les structures de réseaux, dans le cadre de la plate-forme Intel Security and Trust, à l’Edge IoT, autrement dit au capteur, à l’actuateur ou au terminal.
Outre le microcontrôleur Quark D2000 déjà commercialisé dans un boîtier QFN 40, Intel entreprend désormais, avec le modèle Quark SE, une étape importante vers l’intégration à la plateforme Intel IoT, d’appareils terminaux, de capteurs et d’actuateurs. Certains clients ne manqueront sans doute pas de regretter l’absence de diversité de dérivés, tels qu’ils en trouvent généralement sur le marché Edge IoT. En guise de variante, Intel a d’ores et déjà annoncé l’assemblage en FCBGA 144. Et en mettant l’accent sur la dimension «Edge IoT», on peut s’attendre à d’autres innovations.
 

* Chef de produit CPU, RUTRONIK Elektronische Bauelemente AG, Yverdon-les-Bains