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Tout savoir sur l'autonomie énergétique des objets connectés

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Tout savoir sur l'autonomie énergétique des objets connectés

Cité de l'objet connecté

© Juliette Raynal pour Industrie & Technologies

La mise en œuvre de l’internet des objets nécessite le déploiement massif de capteurs-actuateurs qui, pour l’heure, disposent d’une autonomie énergétique très limitée. Des systèmes innovants de récupération d’énergie tentent d’y remédier, précise dans cette présentation très complète Maurice Gagnaire, professeur au Département Informatique & Réseaux de Télécom ParisTech qui a animé pendant près de vingt ans une équipe de recherche sur la planification des réseaux optiques transparents longue-distance et la gestion de ressources dans les datacenters. Depuis la fin des années 2000, il a recentré ses activités sur le mobile edge computing et le dimensionnement des infrastructures de recharge pour véhicules électriques. Il s’intéresse particulièrement aux potentialités des divers types de moisson énergétique.

Le concept de « famine énergétique » a été introduit il y a une dizaine d’années, en référence aux réseaux sans fil pour lesquels l’autonomie énergétique des terminaux déconnectés durablement du réseau électrique peut poser problème. Le concept de « moisson énergétique » (« energy harvesting ») appliqué aux réseaux de capteurs vise à contourner ce risque. Il désigne toute technique permettant d’exploiter le plus efficacement possible un ou plusieurs phénomènes physiques existant à l’état naturel afin d’alimenter en énergie un équipement électronique déconnecté durablement du réseau électrique. Les premières études en la matière concernent les réseaux de capteurs sur lesquels repose l’internet des objets (IoT). Un capteur opère grâce à l’utilisation de piles ou d’une batterie. Il est dit en environnement hostile s’il n’est pas matériellement possible pour son administrateur d’en remplacer les piles ou d’en recharger les batteries. Les domaines d’application des réseaux de capteurs paraissent aujourd’hui illimités : l’industrie, le médical, le transport, le spatial, le bâtiment, le militaire…

Les capteurs peuvent se classer en deux catégories. Il y a ceux qui sont facilement et à tout moment accessibles par l’administrateur du réseau, qui peuvent donc être facilement alimentés en énergie via des piles ou des batteries. Et il y a ceux situés en environnement isolé, c’est-à-dire hostile, qui sont sujets au risque de famine énergétique. La moisson énergétique consiste à leur permettre de fonctionner avec un haut niveau de disponibilité, en faisant en sorte qu’ils puissent bénéficier de ressources énergétiques inexploitées jusqu’à ce jour et a priori disponibles à l’état naturel dans leur environnement proche. Voici un panorama des différents mécanismes de moisson énergétique mis en œuvre aujourd’hui.

Ce qu’il faut retenir

Les capteurs des objets connectés communiquent de proche en proche pour élire celui qui sera le plus à même de transmettre l’information au réseau.

Une consommation énergétique minimale correspondant aux fonctions de base peut être définie lorsque l’appareil est déconnecté du réseau électrique.

Des stratégies de récupération d’énergie permettent au capteur de conserver son autonomie en situation dite « hostile ».

 

1. Réseau
Structure des échanges

Un capteur correspond à un microcalculateur équipé d’une sonde de mesure d’une grandeur physique (température, intensité d’un rayonnement dans une bande de fréquences, intensité d’un son, amplitude d’une vibration mécanique, pression du gaz environnant…). La mesure de l’intensité de ces différents paramètres est par nature analogique. Elle est numérisée au moyen d’un convertisseur analogique/numérique (CAN) afin d’être traitée par un processeur (CPU). Un capteur est équipé de piles et/ou de batteries lithium-ion. Deux types de piles sont utilisés : soit des piles plates circulaires de 3 V pour une capacité de l’ordre de 210 mAh, soit un jeu de quatre ou six piles bâtons de 1,5 V représentant une capacité énergétique de l’ordre de 1 200 Ah. Dans la majorité des cas, des capteurs géographiquement proches s’auto-organisent en grappes pour observer l’évolution d’un même paramètre physique sur une zone géographique donnée. La communication entre eux se fait en mode radio à très courte portée (au plus quelques dizaines de mètres). Selon les techniques de codage-modulation, les débits de communication des capteurs varient de quelques dizaines de kbit/s (Zigbee) à quelques Mbit/s (IEEE 802.11p).


Infographie : Florent Robert

Après avoir été placés dans leur environnement de travail, de façon déterministe – par exemple sous le tablier d’un pont pour en mesurer les déformations –, ou bien de façon aléatoire – par exemple lorsqu’ils sont dispersés dans un champ pour observer la progression des cultures –, les capteurs communiquent avec leurs voisins de proche en proche pour élire celui qui est le mieux à même, de par son autonomie et sa capacité de traitement, de communiquer avec le nœud d’accès à l’internet le plus proche. Un tel capteur, appelé « puits » ou « sink », procède à l’agrégation des données reçues des autres capteurs pour en faire remonter la valeur vers le routeur IP le plus proche, via le Wi-Fi par exemple. Un nœud « puits » se caractérise donc par une capacité de traitement et une réserve énergétique sensiblement supérieures à celles des autres capteurs d’un même réseau.


Infographie : Florent Robert

2. Consommation
Critères d’évaluation de l’énergie nécessaire

La technologie d’un capteur est spécifique à la nature de la grandeur physique mesurée : une température, l’amplitude d’un signal sonore, un niveau de pression, l’intensité d’un rayonnement visible, l’intensité d’un rayonnement radiofréquence… Concernant le rayonnement radiofréquence, des techniques spécifiques doivent être utilisées en fonction de la bande de fréquences observée (radiophonie AM/FM, radio-mobiles, réseau Wi-Fi…). Selon la grandeur physique mesurée, l’énergie nécessaire pour effectuer la mesure peut varier fortement. Enfin, la communication de la valeur de la grandeur mesurée du nœud sink vers le nœud d’accès à l’internet le plus proche peut, elle aussi, nécessiter l’utilisation de technologies très diverses. Pour toutes ces raisons, l’évaluation a priori de la réserve énergétique nécessaire à un capteur en environnement hostile, en vue de son utilisation sur une période donnée, est une tâche délicate. Le diamètre de la zone de mesure d’un réseau de capteurs est au plus de quelques centaines de mètres. Dans la pratique, la distance séparant le nœud sink du point d’accès à l’internet le plus proche est beaucoup plus grande, celle-ci pouvant atteindre quelques kilomètres, voire plus. C’est la raison pour laquelle l’énergie requise par chaque capteur est sensiblement plus faible que celle requise par un nœud sink. Plusieurs standards de protocoles de communication peuvent être utilisés pour la communication interne à un réseau de capteurs (Bluetooth à faible énergie, Zigbee, UWB…). Ils varient en fonction de l’environnement (réseau électrique, agriculture, transport…). Concernant la communication entre le nœud sink et le point d’accès à l’internet le plus proche, des protocoles de communication de type WLAN tels que IEEE 802.11a/b/g sont en général adoptés. Il est envisagé de se servir des dernières générations de téléphones radio-mobiles (5G) comme nœud sink dans le cas de réseaux de capteurs corporels ou BAN (body area network) à usage médical. Les WLANs et la téléphonie cellulaire nécessitent au minimum 1 W de puissance pour émettre à au moins 1 Mbit/s sur une distance d’au moins une centaine de mètres. Les capteurs reposant sur la technologie Bluetooth ou Zigbee consomment, quant à eux, entre 8 et 100 mW pour des portées de plus de 10 m. Les capteurs UWB (ultra-wideband) sont pour l’heure peu utilisés, en raison de leur portée et de leur débit très limités. Le contrôle de la déformation du tablier d’un pont, par exemple, peut justifier une forte densité de capteurs au mètre carré et l’utilisation de ce protocole. Les nouvelles générations de téléphonie cellulaire telles que la 4G et surtout la future 5G vont être les candidats idéaux pour servir de nœud d’agrégation et[…]

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