Objets communicants portés : vers une autonomie adaptée

17/07/2014
Auteurs :
OAI : oai:www.see.asso.fr:1301:2014-3:11246

Résumé

Objets communicants portés : vers une autonomie adaptée

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REE N°3/2014 73 L’HOMME CONNECTÉ Renaud Briand1,2 , Guillaume Terrasson1 , Alvaro Llaria1 , Valérie Dupé1 Enseignants-Chercheurs, ESTIA1 , Directeur R&D, Aquitaine Électronique2 Introduction Les réseaux de capteurs sont constitués de senseurs disséminés dans des environnements souvent vastes et peu accessibles [1]. Par conséquent, il est nécessaire de prendre un soin tout particulier à la conception de leurs nœuds de façon à garantir une autonomie énergétique compatible avec l’application visée. Des recherches sont ainsi menées afin d’améliorer cette caractéristique cri- tique, par la conception de composants à très faible consommation [2], le développement de protocoles de communication spécifiques [3] ou alors en considérant des solutions de récupération d’énergie [4], [5]. Dans cet article, nous nous intéressons à la problé- matique de conception de microcapteurs autonomes. Nous détaillerons des outils et une méthode d’aide à la conception qui permettra à l’ingénieur d’évaluer les choix technologiques et l’architecture, adaptés aux besoins d’une application donnée et dans un objectif d’autonomie maximale. Pour cela, nous présenterons une modélisation du nœud et de ses sources d’énergie qui permettra d’éva- luer sa consommation et donc son autonomie. Les capteurs autonomes Les capteurs autonomes sont des dispositifs intel- ligents compacts, miniaturisés et multifonctionnels intégrant des microcapteurs associés à une unité de traitement. Ils sont capables d’échanger des données et de communiquer avec d’autres microsystèmes ou une station de contrôle distante, par l’intermédiaire d’un transmetteur sans fil. Le fonctionnement de ces nœuds est garanti par une source d’énergie embar- quée. Les applications des réseaux de capteurs pré- sentent des caractéristiques très différentes les unes des autres mais se rejoignent généralement sur l’as- pect contrainte énergétique. Partant de ce constat, de nombreuses recherches ont été initiées, présen- tant, par exemple, des protocoles de communication adaptés aux applications de réseaux de microcapteurs qui permettraient une meilleure utilisation de l’éner- gie disponible au sein du réseau. Cependant, il a été constaté qu’il était difficile d’évaluer l’autonomie d’un nœud à cause du large évantail des caractéristiques de l’application. Ainsi, le modèle que nous avons dé- veloppé permet-il de répondre à cette question récur- rente de l’évaluation de l’autonomie d’un nœud d’un réseau de microcapteurs. En effet, cette évaluation reste complexe du fait de l’hétérogénéité d’un nœud, alliant des éléments mécaniques, électroniques et informatiques (figure 1). Objets communicants portés : vers une autonomie adaptée Nowadays, communicating objects are a reality and there is no doubt that they will play a predominant role in our everyday life in a few years. The advent of these new and non-intrusive technologies goes through a wireless and unfailing communication. However, an important issue of these interconnected objects remains their energy consumption. Indeed, the idea to network more and more objects in a given environment implies, after removing the communication cable, to do the same with the one of power supply. Today, everyone willingly accepts to daily recharge a cell phone to ensure the connectivity anywhere in the world but it will not be the same for the Internet of things. Thus, it will be necessary to find alternative solutions for these networks through the optimization of the energy consumption and communications of its nodes. It will also be required to consider new power sources. In this paper, we first introduce the issue of energy consumption in a sensor network: which ele- ment is the more energy consuming and how to improve the autonomy? Then we present the alternative of energy harvesting in the surrounding environment. Finally, we expose our decision support method for the design of autonomous and commu- nicating objects that considers the specifications of the application in the first step of the design process. ABSTRACT 74 REE N°3/2014 L’HOMME CONNECTÉ L’objectif de nos travaux consiste donc à proposer un mo- dèle énergétique simple d’un nœud. Ce modèle va nous per- mettre d’évaluer l’impact des spécifications de l’application sur la consommation mais aussi l’impact du coût énergétique dû à la mise en place d’une stratégie particulière de fonc- tionnement comme, par exemple, un protocole de commu- nication spécifique aux réseaux de microcapteurs. Enfin, ce modèle va nous permettre de déterminer comment minimi- ser la consommation moyenne d’un nœud en fonction des spécifications d’une application. Consommation énergétique Un des critères le plus important dans la conception d’un nœud de réseau de capteurs, est son autonomie. En effet, du fait de la densité du réseau mais aussi de l’environnement dans lequel le capteur est placé, le remplacement de sa bat- terie est généralement complexe. Il est donc important de maximiser la durée de vie d’un nœud et donc de sa batterie. Pour assurer une certaine autonomie, il est nécessaire de séquencer l’activité du nœud de façon à alterner des modes de fonctionnement avec des modes de veille. Nous parle- rons alors de rapport cyclique de fonctionnement du nœud. Pour permettre une durée de vie conséquente, il est essen- tiel de rendre la durée du mode de fonctionnement négli- geable devant celle du mode veille. De plus, l’amélioration de l’autonomie nécessite de gérer indépendamment chaque composant du nœud. Ainsi, nous pouvons découper le fonctionnement d’un nœud en plu- sieurs phases (figure 2). Le réveil de chacun des éléments du nœud est géré de fa- çon indépendante. C’est le microcontrôleur, élément central, qui va avoir la tâche de commander le réveil des différents blocs. Il va ainsi gérer les différentes phases de fonctionne- ment du nœud. L’énergie consommée pendant les diffé- rentes phases pourra s’écrire en première approximation : (1) Où Pon représente la puissance consommée pendant le phase considérée et ton représente la durée de cette phase. Figure 1 : Architecture d’un capteur autonome. Figure 2 : Différentes phases de fonctionnement du capteur autonome. REE N°3/2014 75 Objets communicants portés : vers une autonomie adaptée Modélisation d’un nœud Lors de la phase de conception préliminaire d’un capteur autonome, le concepteur peut se sentir désarmé devant l’ampleur des paramètres à considérer. Ainsi, afin d’estimer la consommation globale d’un capteur autonome, nos travaux ont-ils porté sur la modélisation sous forme de blocs géné- riques, reconfigurables et réutilisables, de chaque élément du nœud. Nos activités de recherche ont permis de développer des outils de simulation haut niveau d’un nœud de réseau de capteurs, basés sur des modèles de type comportemental et implémentés sous Matlab/Simulink. Le premier outil, nommé OSCCAR pour Outil de Simu- lation pour la Conception de Capteurs Autonomes en Réseau [6], permet de tester différentes configurations matérielles et logicielles d’un microcapteur, pour une ap- plication donnée. Figure 3 : Interface utilisateur de l’outil OSCCAR (vue du schéma bloc du nœud, de la contribution de chaque élément à la consommation et du séquencement de l’activité du nœud). 76 REE N°3/2014 L’HOMME CONNECTÉ Il est basé sur un schéma bloc de fonctionnement du mi- crocapteur dans lequel chaque bloc représente un élément du nœud : le capteur, le microcontrôleur, l’émetteur-récep- teur radiofréquence… L’objectif étant d’obtenir une évaluation rapide de la consommation énergétique du nœud, chacun de ces élé- ments est modélisé de la façon la plus simple possible : une puissance en fonctionnement et une puissance en veille. Ils possèdent, en plus, deux entrées numériques (On et Off) per- mettant le passage en mode veille ou la sortie de ce mode. L’assemblage de ces blocs définit ainsi le séquencement de l’activité du capteur autonome, permettant d’obtenir une simulation de la consommation globale du système. Le lo- giciel permet l’évaluation de la consommation du nœud et de son autonomie tout en identifiant les éléments les plus consommateurs (figure 3) [6]. En simulant différentes configurations du nœud et différents profils de fonctionnement, il est alors possible d’en déduire le meilleur choix pour les composants de l’architecture ainsi que la stratégie optimale de mise en œuvre de ces éléments. Il est à noter que le modèle du nœud utilise une source d’énergie embarquée considérée comme finie pour l’esti- mation de son autonomie. Nous présenterons, dans la suite de cet article, un outil logiciel complémentaire dédié à une modélisation plus précise de la source d’énergie permettant d’évaluer l’hybridation de plusieurs sources d’énergie. Récupération d’énergie Les simulations décrites précédemment considèrent que le nœud possède une source d’énergie finie. En effet, la source d’énergie la plus communément utilisée dans la conception des nœuds d’un réseau de capteurs est la pile qui apporte une densité énergétique intéressante, malgré une empreinte écologique très négative. Dans une optique de protection de l’environnement et pour aller vers une au- tonomie infinie du nœud, les technologies de récupération d’énergie dans le milieu environnant sont de plus en plus évoquées et même aujourd’hui assez utilisées. Sources d’énergie exploitables Depuis quelques années, l’intégration dans les microsys- tèmes de microgénérateurs d’énergie, récupérant et conver- tissant l’énergie ambiante, a permis, en les couplant avec des éléments de stockage rechargeables, d’augmenter l’au- tonomie des microcapteurs. En comparaison avec l’énergie stockée dans une batterie, l’environnement représente une source d’énergie illimitée incluant le rayonnement solaire [7], le vent [8], les gradients thermiques [9], les vibrations [10], etc. On voit ainsi apparaître des composants sur étagère (COTS) dans ce domaine, apportant de nouvelles possibilités au concepteur d’un réseau de capteurs. Cependant, devant le nombre de sources d’énergie exploitables, le choix d’une solution adaptée à l’application visée devient très complexe. Le choix et le dimensionnement de cette source, des conver- tisseurs d’alimentation associés pour rendre l’énergie exploi- table, restent très difficiles à appréhender. De plus, une fonction de gestion d’énergie devient néces- saire pour lier la partie récupération d’énergie aux éléments de stockage (figure 4). Elle a pour rôle de gérer l’énergie récupérée, de charger ou non les éléments de stockage et d’orienter l’énergie disponible vers le microcapteur pour assu- rer son fonctionnement et ceci en consommant un minimum d’énergie devant l’énergie potentiellement récupérable. Figure 4 : Décomposition de la partie « énergie » d’un capteur autonome. REE N°3/2014 77 Objets communicants portés : vers une autonomie adaptée Outil d’aide au choix de la source Partant de ces constats, nous avons développé un deu- xième outil permettant la pré-évaluation de l’énergie dis- ponible dans l’environnement proche du capteur ; ceci afin d’offrir une aide au choix des éléments de la partie alimenta- tion, en fonction de la contrainte d’autonomie et des spécifi- cations de l’application. Ainsi, cet outil permet-il d’adapter le choix des sources d’énergie du microcapteur en incluant les solutions de récu- pération d’énergie et en considérant les contraintes liées à son environnement. Il s’appuie sur une méthode de concep- tion structurée. Cette méthode démarre par une phase de définition du système, de son environnement et des sources d’énergie présentes. Ensuite, nous avons défini des critères de sélection pour choisir les sources d’énergie les plus adap- tées au problème, en prenant en compte les contraintes fixées par l’application. Ce choix permet de définir l’architec- ture de la source d’alimentation en énergie et d’obtenir un premier modèle haut niveau. Par la suite, ce modèle est raffiné en améliorant la repré- sentation de chaque bloc à l’aide de logiciels spécifiques, afin de tenir compte du caractère multi-physique de la concep- tion (figure 5). La solution logicielle, développée à partir de cette mé- thode et connectée à une base de données évolutive, consti- tue un support pour guider l’utilisateur dans les différentes phases de modélisation et de conception de la source d’éner- gie embarquée, et dans le choix d’une architecture adaptée en explorant un ensemble de solutions possibles. Utilisation des outils logiciels développés Nous avons précédemment présenté les outils dévelop- pés pour l’aide à la conception de microcapteurs autonomes. Dans cette partie, nous évoquerons la façon de les utiliser en présentant la méthode puis des exemples de mise en œuvre. Méthode de mise en œuvre Les deux outils logiciels qui ont été présentés précédem- ment sont des outils complémentaires et leur intérêt réside dans leur utilisation de façon conjointe. Ainsi, la méthode d’utilisation consiste-t-elle, après avoir évalué la consomma- tion et l’autonomie du microsystème testé avec l’outil OSC- CAR, avec comme seule source d’énergie une pile, à évaluer, avec le deuxième outil, de nouvelles architectures intégrant des sources d’énergie renouvelables. Une fois l’architecture optimale identifiée, la simulation globale du dispositif est à nouveau réalisée avec l’outil OSCCAR. La combinaison de ces deux outils offre alors la possibi- lité d’optimiser les architectures matérielle et logicielle du microcapteur, en évaluant l’impact, sur la consommation finale du dispositif, de certains paramètres de l’architecture (fréquence de fonctionnement du microcontrôleur) ou de l’application (débit d’envoi des données) mais également des choix de la stratégie de fonctionnement du nœud (pro- Figure 5 : Méthode de conception multidisciplinaire du récupérateur d’énergie. 78 REE N°3/2014 L’HOMME CONNECTÉ tocole de communication). Leur association permettra éga- lement au concepteur d’envisager différents composants et sources d’énergie et de simuler ces scénarii pour en déduire une architecture optimale [8]. De plus, dans le cas où aucun composant du marché ne conviendrait pour une fonction donnée (émetteur/récepteur, capteur, récupérateur d’énergie…), l’outil OSCCAR permettra alors de mettre en évidence la nécessité d’une réalisation spécifique mais aussi d’évaluer les caractéristiques techniques du nouveau com- posant à concevoir. Comme cela a été énoncé précédemment, les simula- tions réalisées avec l’outil OSCCAR ne considèrent que des sources d’énergie finies. Ces dernières n’étant souvent pas suffisantes pour satisfaire la contrainte d’autonomie de l’ap- plication considérée, le second outil intègre la qualification et la quantification de sources d’énergies alternatives présentes dans l’environnement du microsystème étudié. Finalement, la méthode développée guide les concepteurs dans le choix des composants, des matériaux, des technologies et de l’architecture du microsystème. Elle permet de définir la structure globale en couplant différents domaines de l’ingé- nierie, dès les premières phases du processus de conception. L’originalité réside dans l’approche système utilisée. De plus, les outils développés sont orientés « applica- tion », ils supportent le processus de conception, partant des spécifications jusqu’à la conception détaillée. Par ail- leurs, ils permettent d’estimer rapidement si une source d’énergie peut suffire pour assurer l’autonomie énergétique d’un nœud ou si l’hybridation de plusieurs sources est né- cessaire et propose une conception virtuelle des différentes solutions possibles, afin de réduire la durée du processus de conception. Exemples d’utilisation L’outil de simulation de la consommation énergétique d’un nœud (OSCCAR) a été utilisé pour développer un réseau de capteurs dédiés à la gestion de parcs de stationnement (figure 6). Cette application consistait en un réseau de cap- teurs dont les nœuds étaient implantés dans chaque place de stationnement. Ils permettaient la détection des véhicules et transmettaient à distance l’état de chaque emplacement. L’outil nous a permis d’évaluer le meilleur rapport cyclique de fonctionnement, la meilleure stratégie de séquencement du nœud ainsi que l’autonomie estimée à plus de cinq ans. Une amélioration des modèles comportementaux des éléments du nœud a permis de mettre en évidence des choix optimum pour certaines caractéristiques. Ainsi, nous avons mis en évidence que la fréquence de fonctionnement du microcontrôleur et le débit de transmission des données pouvaient être choisis de façon optimale pour réduire la Figure 6 : Application gestion de parcs de stationnement (schéma de principe, prototype capteur et relevé de consommation). REE N°3/2014 79 Objets communicants portés : vers une autonomie adaptée Figure 7 : Présentation de résultats de simulation des sources photovoltaïques et d’énergie vibratoire. 80 REE N°3/2014 L’HOMME CONNECTÉ Renaud Briand est titulaire d’un master en microélectro- nique et a obtenu un doctorat d’électronique en 2001 à l’Université Bordeaux 1. En 2002, il rejoint l’Ecole supé- rieure des technologies industrielles avancées (ESTIA) de Bidart (64) en qualité d’enseignant-chercheur. Il prend alors la charge des enseignements en électronique, élec- trotechnique et automatique de la formation ingénieur et crée, en 2003, un groupe de recherche spécialisé dans la conception de microcapteurs autonomes. Ses activités de recherche portent plus précisément sur la modélisation et la simulation de capteurs autonomes dédiés aux applications réseaux de capteurs. En 2011, il prend en charge la Direc- tion de la recherche et du développement de la société Aquitaine Electronique, située à Serres-Castet (64). LES AUTEURS consommation d’un nœud. En effet, ces deux caractéris- tiques entraînent une augmentation de la consommation globale lorsqu’elles augmentent, mais impliquent également une diminution du temps de fonctionnement du système et donc une diminution de la consommation globale. Notre outil peut ainsi être utilisé afin de trouver le meilleur compro- mis entraînant la consommation minimale. Nous avons également souvent utilisé notre outil afin d’évaluer le coût énergétique de certaines fonctions d’un microcapteur. Nous avons ainsi évalué l’impact, en termes d’autonomie, du protocole de communication. Nous avons donc simulé un nœud complet transmettant ses données avec ou sans accusé de réception. Cette étude nous permet de définir, en fonction de l’application, la meilleure stratégie entre la sûreté de transmission et l’autonomie maximale. Enfin, notre outil nous a permis d’évaluer différentes sources d’énergie additionnelles à la classique batterie, en déterminant l’augmentation de l’autonomie apportée par la récupération d’énergie. Ainsi, pour une application de cap- teurs météorologiques de chaussée, avons-nous évalué les gains théoriques de l’hybridation de sources photovoltaïques et d’énergie vibratoire permettant la récupération des vibra- tions issues du passage des véhicules (figure 7). Conclusion Les outils présentés dans cet article visent à aider les concepteurs dans le choix des éléments d’un microcapteur autonome jusqu’à la sélection de la partie énergétique et en tenant compte des contraintes imposées par l’application. Ces outils permettent de tester différents scénarii de fonctionnement du nœud, de définir certains paramètres clés (fréquence de fonctionnement, débit de transmission, …), d’évaluer l’influence de certaines caractéristiques sur la consommation (protocole, source d’énergie additionnelle…). Références [1] I. Akyildiz et & al., “A Survey on Sensor Networks”, IEEE Communications Magazine, pp. 102-114, 2002. [2] J. Zhao & al., “A Novel Application Specific Network Protocol for Wireless Sensor Networks”, chez IEEE International Symposium on Circuits and Systems, 2005. [3] M. Lossec & al., “Micro-Kinetic Generator: Modeling, Energy Conversion Optimization and Design Considerations”, chez 15th IEEE Mediterranean Electrotechnical Conference, 2010. [4] G. Waltisperger & al., “Photovoltaic Energy Harvester for Micro-Scale Applications”, chez IEEE North-East Workshop on Circuits And Systems Conference (NEWCAS), Montreal, 2010. [5] G. Terrasson & al., “A Design Technique for Power Constrai- ned CMOS Low-Noise Amplifier Dedicated to Wireless Sensor Networks”, Journal Of Low Power Electronics (JOLPE), 2009. [6] R. Briand & al., Encart sur le logiciel OSCCAR dans l’article « A chaque application M2M sa solution », Mesures, pp. 56-59, avril 2013. [7] V. Raghunathan & al., “Design Considerations for Solar Energy Harvesting Wireless Embedded Systems”, chez 4th Int. Conf. on Information Processing Sensor Networks, 2005. [8] C. Federspiel & al., “Air-Powered Sensor”, Berkeley Uni- versity of California, 2003. [9] M. Strasser & al., “Miniaturizes Thermoelectric Generators Based on Poly-Si and Poly-Si-Ge Surface Micromachining”, Sensors and actuators A. Physical., 97-98, pp. 535-542, 2002. [10] M. Marzencki & al., “Design and Fabrication of Piezoelectric Micro Power Generators for Autonomous Microsystems”, chez DTIP’05 TIMA editions, 2005. [11] G. Terrasson & al., “A Top-Down Approach for the Design of Low-Power Microsensor Nodes for Wireless Sensor Network”, chez Forum On Design Language (FDL), Sophia Antipolis, 2009. [12] V. Dupé & al., “Simulation Tool for Microsensor Design Driven by Autonomy Constraints”, chez IEEE Low VoltageLow Power Conference FTFC, Marrakech, 2011. REE N°3/2014 81 Objets communicants portés : vers une autonomie adaptée Guillaume Terrasson, titulaire d’un master en microé- lectronique, a obtenu le titre de docteur en électronique de l’Université de Bordeaux 1 en 2008. Ses travaux de doctorat ont été réalisés au sein de l’Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (ESTIA) de Bidart et en collaboration avec le laboratoire TIMA de Grenoble. En 2010, il a obtenu la qualification CNU en 63e section. De- puis octobre 2010, il est enseignant-chercheur à l’ESTIA où il participe aux activités pédagogiques dans les domaines de l’électronique et des systèmes embarqués à base de microcontrôleur. Ses activités de recherche concernent les systèmes embarqués critiques ainsi que les réseaux de capteurs et leur problématique d’autonomie en énergie. Il a aussi activement participé à plusieurs projets de recherche nationaux (SYRENA) et internationaux (MONNA, AGRIPIR, CAREBio). Alvaro Llaria est titulaire d’un master en ingénierie des télécommunications depuis 2006, Alvaro Llaria a obtenu en 2012 le titre de docteur en ingénierie des télécommu- nications de l’Université du Pays Basque (Bilbao). Ce doc- torat a été réalisé en collaboration avec l’Ecole supérieure des technologies industrielles avancées (ESTIA) de Bidart. Aujourd’hui, il travaille au sein d’ESTIA-Recherche en tant qu’ingénieur recherche et participe aussi activement aux activités d’enseignements à l’ESTIA. Il a aussi contribué à de nombreux projets de recherche internationaux (MONNA, AGRIPIR…) financés par le POCTEFA ou encore la région Aquitaine mais aussi à des projets nationaux notamment supportés par le ministère de la Science et de l'Innovation du gouvernement espagnol. Ses activités de recherche concernent les énergies renouvelables, les systèmes hy- brides, les micro-réseaux et les communications sans fil. Valérie Dupé est ingénieur en électronique de l’ESTIA (2008). Elle est également titulaire d’un doctorat de l’Uni- versité de Bordeaux en microélectronique (2011). Durant sa thèse à l’ESTIA, elle a travaillé sur la conception multidis- ciplinaire de microsystèmes autonomes capables de récu- pérer l’énergie dans leur environnement en s’attachant à la mise en œuvre d’outils d’aide au choix et à la conception. Depuis août 2012, elle a intégré l’équipe Architecture des systèmes de conversion de l’énergie du groupe Intégration des systèmes de gestion de l’énergie du LAAS-CNRS, dans le cadre d’un CLD CNRS de deux ans. Dans ce contexte et en lien avec l’axe transversal de recherche ADREAM, Valérie Dupé se concentre sur la problématique des réseaux intelli- gents et de leur optimisation énergétique.