Les hôpitaux psychiatriques constituent un environnement particulier parce qu’ils doivent en plus de fournir des soins médicaux veiller à garantir un cadre sûr et prévenir les comportements autodestructeurs et agressifs que peuvent avoir certains patients. Cela se traduit par des procédures de sécurité rigoureuses et un suivi constant de leurs activités. Le personnel doit effectuer des fouilles régulières des patients et de leurs affaires pour s'assurer qu'ils ne possèdent pas d'objets dangereux.
Ces fouilles s’additionnent aux autres tâches des du personnel et peut être lourd pour eux, les ‘détournant’ de leur activité principale de soin. Elles ont également un impact fort sur les patients, accentuant leur anxiété. Les mesures de sécurité, bien que nécessaires, peuvent être perçues comme intrusives et augmenter leur sentiment de perte de liberté.
Effectuer un suivi par RFID d’objets de la vie quotidienne à caractère dangereux dans ce cadre particulier, pourrait donc présenter des intérêts.

Le projet vise à mettre en place un dispositif de suivi RFID pour surveiller les couteaux dans un hôpital psychiatrique afin d'assurer la sécurité des patients et du personnel (Figure 2). Ce dispositif doit permettre un comptage permanent et précis des outils pour éviter tout usage inapproprié. Il doit répondre à des contraintes strictes en termes de durabilité, de résistance aux conditions d'utilisation normale et de conformité aux normes sanitaires (Figure 3). Pour cela, nous avons opté pour des couteaux imprimés en 3D avec des puces RFID intégrées de manière à ce qu'elles soient invisibles et inaccessibles tout en restant détectables. Le système utilise un Arduino connecté à une antenne RFID et une carte SD pour le stockage des données, avec des tests de portée et de performance effectués dans un environnement réel (Figure 4). Le dispositif doit détecter et compter les outils efficacement, avec une capacité de détection de 1 000 puces par seconde, tout en respectant un budget limité à 200€.

Voici, en résumé, les trois besoins principaux auxquels répond notre projet :

1. Prévention des Incidents :

Objets Dangereux : Des objets courants peuvent devenir dangereux dans un environnement psychiatrique (par exemple, stylos, ciseaux, ustensiles de cuisine). Le suivi rigoureux de ces objets permet de prévenir leur utilisation imprévue et potentiellement dangereuse.
Médicaments : Un contrôle strict de l'accès aux médicaments est essentiel pour éviter les surdosages ou les tentatives de suicide.

2. Aide au Personnel Soignant :

Réduction de la Charge : Un système de suivi efficace permet au personnel de consacrer plus de temps aux soins directs plutôt qu'aux tâches de surveillance et de contrôle des objets.
Interventions Rapides : En cas de perte ou de détournement d'un objet potentiellement dangereux, un suivi précis permet une intervention rapide pour récupérer l'objet et prévenir les incidents.

3. Environnement Moins Anxiogène pour les Patients :

Réduction de l'Intrusivité : Un bon système de suivi des objets peut réduire le besoin de fouilles fréquentes, diminuant ainsi l'anxiété des patients.

Trouver une manière d’automatiser certaines des fouilles ou contrôles ou de les alléger pourrait donc être bénéfique

La RFID (Radio-Frequency Identification) UHF (Ultra High Frequency) fonctionne en utilisant des ondes radio qui permettent la communication entre un lecteur RFID (interrogateur) et les tags RFID (puces). Le lecteur envoie des ondes radio via une antenne. Ces ondes activent les tags situés dans la zone de couverture, qui renvoient une onde avec leur signature, permettant ainsi l'échange de données entre le lecteur et les tags. Grâce à la signature unique du tag, le lecteur peut identifier de quelle puce il s’agit.

2 types de tags existent :

• Les tags actifs possèdent une batterie interne pour une portée de lecture plus longue.
• Les tags passifs : utilisent l'énergie des ondes radio reçues pour répondre au lecteur. (ici la portée de la lecture dépend de la puissance de l’antenne, souvent exprimée en dBi). Fonctionnent sans batterie.

Rôle des composants

Lecteur RFID (Interrogateur)

Le lecteur est l'unité centrale qui contrôle l'émission et la réception des signaux radio et traite les informations données par l’antenne. Il initie la communication avec les tags et décode les informations reçues. Le lecteur est souvent connecté à un système informatique pour le traitement des données (système informatique = Shield connecté à Arduino).




Antenne RFID

Connectée au lecteur, l'antenne émet et reçoit les ondes radio.
L’antenne détermine la couverture de lecture en fonction de la directionnalité et de la portée requises. Les antennes peuvent être directionnelles (pour lire les tags dans une direction spécifique) ou omnidirectionnelles (pour lire les tags dans toutes les directions). L'antenne est un composant passif qui dépend du lecteur pour l'émission et la réception des signaux. Elle ne traite pas les informations mais joue un rôle crucial dans la portée et la direction de la lecture.




Tag RFID

Le tag RFID, composé d'une puce électronique et d'une petite antenne intégrée, stocke des informations et répond au lecteur lorsqu'il est activé par les ondes radio. Il fournit des informations d'identification unique et autres données spécifiques selon l'application. Les tags passifs utilisent l'énergie des ondes radio du lecteur pour fonctionner, tandis que les tags actifs ont une batterie intégrée.

Avantages d'un système RFID UHF

Les systèmes RFID UHF peuvent lire des tags à des distances allant de quelques mètres à plus de 10 mètres, ce qui est idéal pour des applications comme la gestion d'inventaire en entrepôt. Les lecteurs UHF peuvent lire plusieurs tags simultanément, augmentant ainsi l'efficacité des opérations. Les tags passifs sont relativement peu coûteux (environ 0,10 à 0,50 USD par tag) et n'ont pas besoin de batterie, ce qui les rend durables. Les tags actifs, bien que plus chers (environ 10 à 50 USD par tag), offrent une portée de lecture plus longue grâce à leur propre source d'alimentation, dans le cadre de notre projet nous ne retiendrons donc que les tags passifs. Ceux-ci peuvent être très petits, facilitant leur intégration dans divers produits et applications.

Contexte préexistant de l'utilisation de la technologie

De nombreuses entreprises utilisent déjà la RFID UHF pour optimiser leurs opérations. Par exemple, Walmart utilise la RFID pour améliorer la précision de la gestion des stocks et réduire les pertes, tandis qu'Amazon utilise la RFID pour suivre les articles dans ses centres de distribution, optimisant ainsi le processus de prélèvement et d'emballage. Dans le secteur du transport, FedEx utilise des systèmes RFID pour suivre les colis en temps réel dans ses centres de tri, augmentant l'efficacité et réduisant les erreurs de livraison, et Delta Airlines utilise des tags RFID sur les bagages pour suivre leur emplacement et réduire le taux de bagages perdus. En vente au détail, Zara utilise des tags RFID sur tous les articles de vêtements pour améliorer la gestion des stocks et réduire le vol. Dans le secteur de la santé, certains hôpitaux utilisent des tags RFID pour suivre les équipements médicaux coûteux et les fournitures, assurant ainsi une disponibilité constante et réduisant les pertes, ainsi que des bracelets RFID pour suivre les patients et améliorer la sécurité.
Le coût du système RFID UHF varie : les tags RFID passifs coûtent environ 0,10 à 0,50 USD par tag, les tags RFID actifs environ 10 à 50 USD par tag, les lecteurs RFID entre 500 et 2000 USD selon les spécifications, et les antennes RFID entre 50 et 300 USD selon le type et la portée.
La technologie RFID UHF offre une solution efficace pour l'identification et le suivi des objets à distance, avec des applications variées dans des secteurs divers. Les composants RFID, bien que coûteux à l'installation initiale, offrent des avantages considérables en termes de vitesse, de portée et de robustesse, rendant leur adoption rentable à long terme pour les entreprises.
Nous arrivons dans ce contexte avec l'ambition de rendre cette technologie plus frugale, afin de la rendre plus accessible aux hôpitaux psychiatriques publics.

Pour garantir la sécurité des patients dans les hôpitaux psychiatriques, il est essentiel de mettre en place des systèmes de suivi fiables pour les objets potentiellement dangereux. Bien que ce type de système puisse être appliqué à divers objets tels que des pommeaux de douche ou des fourchettes, notre étude se concentrera principalement sur la détection des couteaux.
L'objectif est de quantifier les performances de notre système de détection RFID dans des conditions réelles afin d'évaluer son efficacité et ses limitations.

Étapes du projet :

Faire fonctionner l'antenne :

Assurer que l'antenne RFID est correctement installée et calibrée pour une performance optimale dans l'environnement de test.

Mettre en place des objets pucés fiables :

Équiper les couteaux avec des tags RFID appropriés, en veillant à ce que les tags soient fixés de manière sécurisée et qu'ils fonctionnent correctement.

Configurer une expérience de caractérisation utile :

Installer les lecteurs et les antennes RFID dans des zones spécifiques de l'hôpital.
Simuler les conditions réelles en incluant des obstacles et des variations dans la disposition de la pièce.
Mesurer les performances de détection en fonction de l'orientation des objets et de l'environnement.

Défis potentiels et variables à considérer

La détection RFID peut être influencée par plusieurs facteurs environnementaux et de configuration, notamment :

• Orientation des objets : La position des tags RFID par rapport à l'antenne peut affecter la portée et la fiabilité de la détection.
• Disposition de la pièce : Les obstacles physiques tels que les murs, les meubles et les autres équipements peuvent interférer avec les signaux RFID.
• Nature des surfaces : Les matériaux des obstacles (métal, bois, verre) peuvent réfléchir ou absorber les ondes radio, modifiant ainsi la performance de la détection.

Notre démarche expérimentale vise à fournir une évaluation objective des capacités et des limites de notre système de détection RFID dans un environnement hospitalier psychiatrique. En identifiant les facteurs qui influencent la performance de la détection, nous pourrons améliorer la fiabilité du système et assurer un suivi efficace des objets potentiellement dangereux, contribuant ainsi à la sécurité et au bien-être des patients et du personnel.

Pour assurer un système de détection RFID fonctionnel et programmable, nous avons soigneusement sélectionné notre matériel en fonction de ses spécificités techniques et de ses capacités à répondre à nos besoins.

Choix du matériel et justifications

Nous avons choisi une antenne PCB (circuit imprimé) pour ses caractéristiques techniques. La polarisation circulaire de l'antenne avec un angle de demi puissance de70° permet une réception du signal RFID efficace, indépendamment de l'orientation du tag. Cela est crucial dans un environnement hospitalier où les objets peuvent être disposés de manière imprévisible. Le gain de 5 dBi offre une portée suffisante pour détecter les tags RFID sans causer d'interférences excessives avec d'autres équipements électroniques présents dans l'hôpital. De plus, la compatibilité avec les connecteurs SMA (connecteur coaxial) facilite l'intégration avec le lecteur, permettant des connexions robustes et fiables.
Le lecteur RFID que nous avons choisi fonctionne dans une plage de fréquence de 860-960 MHz, compatible avec le protocole ISO 18000-6C en UHF. Ce protocole est largement utilisé et garantit une compatibilité avec une grande variété de tags RFID, facilitant ainsi notre tâche de suivi des objets. De plus, le lecteur dispose d'une interface RS232, qui est idéale pour la communication avec le shield Syncotek connecté à l'Arduino par le même protocole. Cette interface permet une connexion stable et une communication fiable entre le lecteur et l'Arduino, essentielle pour les applications de suivi en temps réel.

Mise en place et programmation

1. Connexion initiale

Pour établir une communication entre l'Arduino et le lecteur RFID, nous avons utilisé un convertisseur RS232 à TTL. L'Arduino fonctionne avec des niveaux de tension TTL (0-5V), tandis que le lecteur utilise le standard RS232. Le convertisseur permet d'adapter ces niveaux de tension, garantissant une communication stable.
Nous avons connecté les broches TX et RX du lecteur RFID aux broches RX et TX respectivement du convertisseur RS232 vers TTL. Cela permet à l'Arduino de communiquer avec le lecteur RFID en utilisant des niveaux de tension compatibles. Cette configuration est essentielle car elle assure que les signaux échangés entre les deux appareils sont correctement interprétés, évitant ainsi des erreurs de communication dues à des différences de niveaux de tension.

2. Programmation basique

Nous avons initialisé la communication série entre l'Arduino et le lecteur RFID en utilisant la bibliothèque SoftwareSerial, ce qui nous a permis de choisir des broches spécifiques sur l'Arduino pour la communication série. Cela a libéré le port série matériel pour d'autres utilisations éventuelles (carte SD), tout en maintenant une communication fiable avec le lecteur RFID. Notre programme doit réussir à :

• Établir une connexion stable entre l'Arduino et le lecteur RFID.
• Envoyer des commandes au lecteur pour initier la détection des tags RFID.
• Recevoir et interpréter les données de réponse du lecteur, telles que les identifiants des tags détectés.

3. Envoi et réception de commandes

Le lecteur RFID utilise des trames de commandes spécifiques pour fonctionner. Chaque trame inclut un préambule, la longueur de la trame, le code de commande, des paramètres et une somme de contrôle (CRC) pour garantir l'intégrité des données. Notre programme doit être capable de :

• Construire des trames de commandes correctes pour communiquer avec le lecteur
• Envoyer ces commandes pour initier des actions spécifiques, comme l'inventaire des tags RFID présents dans la zone de portée.
• Recevoir les réponses du lecteur et vérifier leur intégrité à l'aide de la CRC.

4. Défis rencontrés

Nous avons rencontré plusieurs défis techniques. Assurer une communication stable entre l'Arduino et le lecteur via RS232 a nécessité des ajustements et des tests pour éviter les interférences et les pertes de données. Après avoir compris la nécessité d'avoir un convertisseur RS232 vers TTL, nous avons dû expérimenter avec différents nombres de baud et configurations série pour obtenir une communication fiable. Par exemple, initialement, la communication était instable à 9600 bauds, mais après divers tests, nous avons trouvé que 115200 bauds permettait une communication entre les deux unités de contrôle (Shield et Arduino).

Pour notre étude, nous avons choisi de prendre un couteau comme modèle. Les couverts, en particulier les couteaux, sont des objets hautement surveillés dans les hôpitaux psychiatriques car ils représentent un danger à la fois pour les patients et le personnel. Avant et après les repas, le nombre de couverts est compté, et chaque personne est fouillée lors de son départ de la cantine. Des procédures similaires s’appliquent aux patients mangeant dans leur chambre. Ce suivi rigoureux justifie le choix du couteau comme objet d'étude pour notre système de détection RFID.
L’enjeu est de pouvoir “cacher” une puce RFID dans le couteau avec quatre contraintes principales :

1. Invisibilité : La puce ne doit pas être visible pour ne pas attirer l'attention.
2. Inaccessibilité : La puce doit être protégée contre tout accès potentiel par les patients, qui pourraient tenter de l’enlever.
3. Détection : L'intégration de la puce dans l'objet ne doit pas gêner la détection RFID.
4. Résistance : L'usage normal du couteau, y compris le lavage et l'utilisation quotidienne, ne doit pas affecter le fonctionnement de la puce RFID.

Méthodes de pose de la puce
Deux solutions étaient envisageables pour intégrer la puce RFID dans le couteau :

1. Modèle de couteau avec manche creux et démontable : Trouver un modèle de couvert sur le marché avec un manche creux et dévissable, dans lequel nous pourrions glisser la puce avant de le refermer définitivement. Cette solution permettrait de protéger la puce, mais en raison de contraintes de temps et de disponibilité, nous n'avons pas opté pour cette solution.
2. Impression 3D d’un modèle personnalisé : Cette méthode permet de contrôler précisément la position de la puce à l'intérieur du manche du couteau. Une pause est programmée au milieu de l'impression pour déposer la puce dans la structure du manche. Cette approche a été choisie pour sa flexibilité et sa rapidité de mise en œuvre.

Protocole de conception et intégration de la puce

Modélisation 3D :

Dessiner un modèle 3D du couteau intégrant un compartiment interne de 71mm x 21mm pour accueillir la puce RFID. Le modèle doit être conçu de manière à ce que ce compartiment soit complètement enfermé une fois l’impression terminée.

Préparation sur Logiciel Cura :

Importer le modèle 3D dans le logiciel Cura.
Positionner le modèle de sorte que le plan du compartiment à puce soit parallèle à la plaque d'impression. Cela facilite la pose de la puce durant l'impression.

Programmation de l'Impression :

Configurer l’imprimante pour inclure une pause à la couche correspondant à la position du compartiment à puce. Cette pause permet de placer la puce avant de continuer l'impression.

Procédure d'Impression :

Lancer l'impression 3D. Lorsque l'imprimante se met en pause, insérer la puce RFID dans le compartiment. Pour assurer la stabilité de la puce pendant le reste de l'impression, la recouvrir d’une fine couche de colle (spray utilisé pour la plaque d'impression).
Reprendre l'impression pour que le reste du plastique recouvre la puce, la rendant invisible et inaccessible.

Pour estimer la portée réelle de notre antenne, nous avons établi un protocole de mesures dans des conditions standardisées.

Placer le dispositif dans une boîte, en fixant l’antenne, au dessus du couvercle (carré vert)
Fixer la boîte au milieu d’une table
Relier par une ficelle l’objet pucé à l’antenne

La ficelle dépliée en entier :

Décrire un cercle autour de l’antenne en tenant la puce orientée vers le lecteur. Noter les zones de détection.
Décrire deux demis cercles en passant par la hauteur. Noter les angles de détection

Enrouler la ficelle d’un tour, noter la nouvelle distance séparant l’objet de l’antenne et recommencer le processus. Noter à nouveau les zones de détections pour le nouveau rayon.

Le protocole a été suivi pour des distances allant de 90 à 5 cm avec au total 20 longueurs différentes, dans 4 conditions : avec le couteau pucé et avec une puce dite contrôle apposée sur un bout de carton, en recouvrant la puce RFID avec notre main ou non.
Cela devrait nous permettre de mesurer l’impact de l’immersion de la puce sur les performances du système.

Le dispositif discerne de manière effective une puce d’une autre et peut envoyer des commandes en autonomie à l’initiative de l’Arduino. Nous n’avons cependant pas mis d’unité de mémoire car cela n’était pas nécessaire pour notre expérience.
Pour aller plus loin, il faudrait souder et disposer chaque composant de manière à les rendre immobiles les uns par rapport aux autres pour réduire les potentielles erreurs induites par la manipulation.
De plus, il semble essentiel d’inclure un système de refroidissement, tant le chauffage est important lors de l’utilisation. Une utilisation prolongée risque d’endommager le matériel.

Nous avons bien pu fabriquer un couteau par impression 3D, à la fin de laquelle nous l’obtenons avec une puce RFID intégrée à l'intérieur de son manche. Ce couteau respecte les contraintes d’invisibilité et d’inaccessibilité de la puce tout en permettant une détection fiable par le système RFID.
Pour ce projet de preuve de concept, nous avons négligé l’aspect sanitaire car il suffit de changer le type de plastique utilisé pour l’impression 3D et préférer un plastique compatible avec l’alimentaire, ce qui n’affecte pas la validité de notre démonstration.

Dans chaque condition la puce était détectée quelque soit l’angle jusqu’à une certaine distance: 34 cm pour la puce insérée dans le couteau ; 28 cm pour la puce contrôle. Il s’agit des demi-sphères représentées sur le modèle (volume de demi-sphère : $\frac{2\pi r^3}{3}$).
Dans les deux conditions, certaines zones étaient beaucoup plus sensibles que d’autres.
En particulier les diagonales de chaque quart où à partir d’une certaine distance (non symétrique), la puce était très bien détectée, même à des distances assez élevées (jusqu’à 86 cm pour la condition puce dans couteau et 75 cm pour la condition puce seule).
Le plan vertical en face de la boîte (entre le quart 1 et 2) était également un lieu où les puces étaient systématiquement très réactives. Les zones de sensibilité spécifiques ont été représentées par des cônes (volume cône : ), car notre protocole de détection ne permet pas de distinguer de forme plus complexe.

Le volume total de la zone de détection (demi-sphère+cônes) de la condition contrôle correspond finalement à environ 48000 cm³ alors que l’objet pucé révèle un volume de détection égal à 86500 cm³. Il y a donc un facteur 1.8 qui sépare un volume de l’autre.

On observe donc qu'étonnement, lorsque la puce se trouve dans le couteau, elle semble capter le signal de l'antenne à une distance plus éloignée que la puce contrôle (qui se trouve sur un morceau de carton). De là, nous pouvons émettre deux hypothèses : soit l'architecture plastique du manche du couteau imprimé à l'imprimante 3D permet d'amplifier le signal de l'antenne, soit la puce collée sur le carton a pu subir des dommages à sa surface, à force de manipulation empêchant une réception des ondes émises par l'antenne plus importante, ou encore le carton induit un effet atténuant des ondes émises au niveau de la puce RFID qui les capte d'une distance plus courte.