New data collection strategy for smart water meters

Les compteurs d’eau intelligents sont des éléments clés pour automatiser les relevés des consommations dans un réseau de distribution et pour optimiser la gestion des consommations. Letravail de cette thèse se concentre sur le développement d’un compteur d’eau intelligent quitransmet les relevés de manière autonome. L’autonomie est définie comme la capacité à transmettreautomatiquement des informations tout en maîtrisant l’aspect énergétique. En effet, lebesoin d’énergie est crucial pour un compteur d’eau communiquant afin d’alimenter l’électroniqueembarquée. Actuellement, les compteurs communicants utilisent une pile pour assurer lamesure, la mise en forme et la transmission des données. La transmission des données représentele poste de dépense énergétique le plus important. Les contributions de cette thèse comportentdeux volets pour tendre vers une optimisation des performances énergétiques des compteurstout en assurant la transmission des consommations d’eau.Dans un premier temps, le compteur d’eau a été équipé d’un récupérateur d’énergie pour rechargersa batterie afin d’améliorer sa durée de vie. Le dispositif de récupération d’énergie est capabled’extraire l’énergie électrique provenant du flux d’eau et l’énergie hydraulique provenant desvariations de pression dans la canalisation. Puis, une nouvelle stratégie de collecte de données aété proposée pour être embarquée dans le compteur. Cette stratégie de communication chercheà économiser l’énergie en réduisant les temps de traitement et de transmission. Un algorithmede compression sans perte et une gestion efficace de l’énergie ont été mis en place pour émettrele maximum de données tout en réduisant la longueur des messages.Les contributions proposées ont été validées par un prototype expérimental. Un bilan énergétiquea été réalisé pour des compteurs en conditions réelles de fonctionnement. Ces compteurs ont étéinsérés dans un réseau de distribution d’eau existant pour transmettre en continu les donnéesde consommations vers une base de données. La validité des données transmises a été vérifiée.Water meters are the key element for the automated consumption reading in a distributionnetwork and for a better managing of the consumptions. The research works of this thesis isfocused on the development of a new smart water meter for communicating the consumptiondata autonomously. The autonomy of the water meter consists in self-managing its behavior,communication and energy. Effectively, energy is essential for powering these meters which areembedded systems. Actually, smart meters integrate a battery for the metering, processing anddata transmission. The data transmission represents the major energy costs. The contributionsof this thesis are organized in two main parts and for optimizing the energy embedded in smartwater meters to enhance the monitoring of water consumption.Firstly, a water meter has been equipped by an energy harvester for recharging its battery inorder to increase its lifetime. The energy harvester device is able to extract energy from thewater flow and from pressure fluctuations within the pipe. Secondly, a new communicationstrategy has been proposed and developed to be integrated in the embedded microcontroller.This communication strategy has been investigated for reducing the energy while transmittingdata and reducing the processing time. A lossless data compression algorithm and an efficientenergy management strategy have been proposed for sending the maximum amount of usefuldata and for reducing the length of transmitted frames.The contributions have been evaluated through an experimental prototype. An energy balancehas been performed under real operating conditions. Such experimental autonomous smartwater meters have been set up in existing water distribution networks for continuously collectingwater consumptions in a database. The validity of the collected data has been verified