Shield4Bio : L’IoT pour l’industrie pharmaceutique

Protection murale communicante pour milieux sensibles

L’objectif du projet est de développer un système technique capable de protéger les cloisons et les produits en transit dans les zones de production d’entreprises pharmaceutiques (salles blanches et stériles) contre des impacts accidentels, susceptibles de générer des poussières. Pour cela, le système doit être capable de détecter et de mesurer des impacts, de les amortir de façon optimale, de communiquer avec les systèmes de l’entreprise afin de lancer des alertes pour permettre d’agir au plus vite et de garder des historiques.

Shield4Bio : L’IoT pour l’industrie pharmaceutique

Protection murale communicante pour milieux sensibles

L’objectif du projet est de développer un système technique capable de protéger les cloisons et les produits en transit dans les zones de production d’entreprises pharmaceutiques (salles blanches et stériles) contre des impacts accidentels, susceptibles de générer des poussières. Pour cela, le système doit être capable de détecter et de mesurer des impacts, de les amortir de façon optimale, de communiquer avec les systèmes de l’entreprise afin de lancer des alertes pour permettre d’agir au plus vite et de garder des historiques.

Les activités de recherche et de production de l’industrie pharmaceutique nécessitent un environnement stérile exempt de bactéries. Ainsi, les murs des salles blanches doivent être protégés contre les chocs accidentels, lors des opérations de manutentions par exemple, pour éviter les rayures et impacts susceptibles de favoriser l’accumulation d’impuretés. Les protections murales actuelles consistent en des tubes d’inox résistants fixés sur un support ancré au sol. Elles nécessitent une inspection périodique pour vérifier leur état, ce qui représente une tâche importante compte tenu du nombre important de protections installées sur un site.

L’objectif du projet Shield4Bio a été de concevoir une protection murale standard intégrant un système de surveillance d’impacts consistant à détecter, caractériser et transmettre automatiquement les informations pertinentes. Le but étant d’alléger le processus de surveillance actuel et le rendre plus efficace. Parmi les partenaires du projet, Etech, concepteur de tuyauteries industrielles pour le secteur pharmaceutique était responsable de la mécanique du système, et XFive assurait la gestion globale du projet.

Le travail du CETIC a porté sur la détection automatique de chocs. Elle est composée des capteurs montés dans les tubes, chargés de traiter le signal et de transmettre l’alarme par liaison radio à un serveur distant dédié à la maintenance. L’activation de l’alarme dépend de l’énergie du choc calculée sur une durée de l’ordre de 3 secondes. Après montage dans le tube, chaque capteur doit pouvoir fonctionner sur sa propre batterie pendant plusieurs années.

Figure 1 : Barre de protection murale Shield4Bio

Architecture du système

Cet environnement, impose au capteur un fonctionnement alternant les phase d’activités lors du traitement du choc, et les périodes de veille pendant lesquelles seule la détection de choc est opérationnelle. Un circuit intégré composé d’un accéléromètre analogique 3 axes et d’un étage de numérisation du signal délivre en permanence les échantillons digitaux pour assurer cette surveillance. En cas de choc, c’est-à-dire de dépassement d’un seuil par les échantillons de l’accéléromètre, le capteur doit réagir très rapidement afin de mémoriser le signal pour ensuite calculer l’énergie du choc. Il est indispensable de ne perdre aucun échantillon lors de la sortie de la phase de veille, aussi l’accéléromètre doit-il disposer d’un tampon mémoire capable de stocker le signal sur quelques dizaines millisecondes. Durant ce court instant les autres fonctions du capteur doivent sortir de l’état de veille pour être prêtes à acquérir le signal du choc sur toute la durée.
Cette contrainte de réaction rapide face à un évènement fugitif ajoutée à celle de basse consommation constituait un challenge technique. Elle a imposé une architecture du capteur spécifique et plus complexe en comparaison avec d’autres applications fonctionnant par réveils périodiques déclenchés par une horloge locale au capteur.

Étude : Choix des composants principaux

L’analyse des différentes technologies d’accéléromètres a conclu au choix des circuits MEMs (MicroElectroMechanical Systems) qui sont les seuls à présenter des caractéristiques de faible consommation mais au prix d’une fréquence d’échantillonnage limitée à quelques kHz, ce qui limite les performances de post-traitement par le capteur Shield4Bio. Dans cette technologie, le fabriquant Kionix propose un circuit qui se distingue nettement des autres par sa fréquence d’échantillonnage allant jusqu’à 25kHz, et donne ainsi une définition élevée du signal. De plus la taille relativement étendue de son buffer d’échantillons de 2kB, permet un temps de réveil du capteur allant jusqu’à 25ms (à 25 khz , pour une résolution de 8bit/éch) avant saturation du buffer. Quant à la consommation de 150µA, elle reste compatible avec les objectifs d’autonomie du capteur.

L’activation des autres fonctions du capteur (mémorisation des échantillons, transmission RF) est gérée par un microcontrôleur lui-même, encore en veille à l’instant du choc. Celui-ci est opérationnel 6.5ms après la détection du choc et procède au stockage des échantillons de l’accéléromètre dans une mémoire SRAM, basse consommation.

Figure 2 : Architecture du capteur de choc

Après traitement des échantillons, la transmission radio de l’alarme vers un serveur est activée. Le module Pycom Lopy4 multi protocole (LoRa, Sigfox, WiFi and Bluetooth), couramment utilisé dans les applications IoT, permet différents modes de fonctionnement du capteur :

  • Dans le mode opérationnel, le capteur étant installé sur site, l’alarme est transmise sur réseau LoRa.
  • Dans le mode test, tous les échantillons sont transmis par Wifi à un serveur pour la visualisation du signal.
    De plus, la programmation du module en langage micro Python facilite sa mise en œuvre.
Figure 3 : Carte électronique du capteur

Les tests réalisés en laboratoire ont donné de bons résultats sur la réactivité, la consommation et la praticité du système complet, logiciel embarqué et matériel. Pour les tests, un serveur recevant les échantillons du capteur par Wifi, permet à l’utilisateur de visualiser le signal reconstitué. Le banc ci-dessous a été utilisé pour la caractérisation du signal de choc et la mise au point du logiciel embarqué dans le capteur.

Le prototype ainsi développé, simple à intégrer dans toute application IoT, est innovant à plusieurs égards :

  • Il permet d’adresser à la fois le mode qualification test et le mode déploiement de manière transparente et built-in
  • Il réalise un trade-off optimal entre qualité/précision de la détection et autonomie du système
  • Grâce à son architecture hardware extensible, il est possible de mettre en œuvre facilement d’autres modes de communication, et d’embarquer des traitements complexes personnalisés suivant le type d’application

Plusieurs exemplaires ont été fabriqués en vue d’une utilisation dans l’espace démo du CETIC.

Pour de plus amples informations contacter :
Gerard Florence
Lotfi Guedria