Couverture ElectroniqueS n°127

L'énergie requise par un capteur sans fil dépend du niveau de puissance exigé et du temps qui lui est nécessaire pour acquérir et transmettre, à intervalles réguliers, des données. En faisant appel à des circuits intégrés et à une technologie radio basse consommation, un fonctionnement sans pile est envisageable grâce à la mise en œuvre d'un principe de récolte d'énergie. A vec un accès plus facile à une analytique puissante, la demande de données de capteurs augmente et le nombre de 50 milliards « d'objets» prédit par Cisco à l'horizon 2020 ne semble plus si ambitieux. Si seulement la moitié de ces dispositifs étaient uniquement alimentés par des piles, le coût et la charge environnementale correspondante, ainsi que les défis liés à leur remplacement, rendraient l'IoT insoutenable. Les capteurs intelligents sans pile, alimentés par de l'énergie récoltée, font parler d'eux depuis un certain temps déjà. Les dernières avancées technologiques en matière de récolte d'énergie, associées à de nouveaux circuits inté-grés, à des capteurs et des technologies radio telles que Bluetooth Low Energy (LE), tous à très faible consommation, rendent la récolte d'énergie plus pratique, plus efficace, plus abordable, et plus facile à implémenter dans un format compact et fiable. BRUNO DAMIEN (ON SEMICONDUCTOR) Au cours des vingt dernières années, Bruno Damien a occupé diverses fonctions de direction technique et commerciale chez AMD, Mietec, AMIS et ON Semiconductor. Au sein de cette dernière entreprise, il occupe actuellement le poste de directeur marketing en charge de l'IoT pour la région EMEA. Réduire le budget énergétique La plateforme multi-capteurs à cellule solaire RSL10 est conçue pour se connecter à une cellule solaire afin de transmettre les données de capteurs par l'intermédiaire de Bluetooth Low Energy. Considérez un capteur intelligent servant à acquérir et transmettre des données environnementales à intervalles réguliers. Les conditions d'un fonctionnement sans pile sont comprises en analysant l'énergie nécessaire pour réaliser les opérations de détection-transmission, selon l'intervalle de répétition requis. Si le système est en mesure de récolter suffisamment d'énergie pour fonctionner selon le rapport cyclique nécessaire, un fonctionnement à long terme sans pile est alors envisageable. L'énergie requise dépend de la puissance du système et du temps qu'il faut pour capturer et transmettre les données. Pour minimiser ces exigences, Bluetooth Low Energy et d'autres protocoles similaires, tels que ZigBee Green Power, ont été optimisés pour obtenir une courte durée de trame et une faible puissance de transmission, tout en garantissant une bonne sécurité. Grâce à l'un ou l'autre de ces protocoles, il est possible de transmettre une trame de données complète de capteur en 10 ms, voire moins. Si le sous-système du capteur fonctionne de manière fiable avec, disons, 10mA sous 1V, le budget énergétique sera le suivant: 1Vx10mAx10ms100µJ par opération Ce calcul donne une première idée des objectifs à atteindre. En supposant que les sous-systèmes de détection, de traitement et radio fonctionnent sous une tension proche de 1V, l'énergie totale requise est de 100 µJ. Le sous-système de récolte d'énergie doit capter suffisamment d'énergie pour fournir au moins ces 100 µJ et ainsi autoriser le fonctionnement des circuits chaque fois qu'il le faut. La seule contrainte pour atteindre le rapport cyclique nécessaire est de parvenir à fournir cette énergie à chaque cycle. Si le cycle est de 1 à 10s, le «facteur de gain» à atteindre est assez élevé pour le système de récolte d'énergie, mais le défi n'est pas impossible à relever. Par exemple, une cellule solaire standard de 1 ou 2 pouces car-rés (6 à 12cm 2 )dont le taux de conversion est de 4% seulement est capable de relever un tel défi. Pour atteindre cet objectif, la conception doit commencer par utiliser des capteurs à très faible consommation. Les capteurs utilisant la technologie Mems la plus récente répondent à cette exigence de très faible consommation, grâce à leur conception mécanique avancée et à leur haut niveau d'intégration. Ainsi, le BME280 de Bosch combine des capteurs de pression, de température et d'humidité, dans un dispositif tout-en-un à très faible consommation. Le BMA400, quant à lui, est le premier accéléromètre 3 axes du marché à offrir un fonctionnement à très faible consommation, sans sacrifier les perfor-mances. En combinant ces deux dispositifs, on peut créer une plateforme multi-capteurs présentant une consommation extrêmement faible, avec en plus une détection inertielle, pour des applications comme la climatisation, la surveillance de processus, le suivi d'actifs ou la détection d'intrusions. L'intégration dans un SiP Pour relever le défi au niveau du traitement des signaux et de la radio, ON Semiconductor a réuni plusieurs technologies ultra-faible consommation dans le SiP (System in Package, ou système en boîtier) RSL10. Le SiP RSL10 contient un SoC (System on Chip, ou système sur puce) radio, une antenne, un gestionnaire d'énergie et tous les composants passifs demandés. Sa consommation est extrêmement faible : 62,5 nW en mode sommeil profond (DSM pour Deep Sleep Mode ) et 7 mW en mode réception. Le SiP fonctionne à partir d'une tension pouvant descendre à 1,1V et embarque des mémoires flash et Ram. En parallèle, il supporte aussi les mises à jour FOTA ( Firmware Over the Air , ou mise à jour sans fil du micrologiciel) avec protection mémoire. Il est certifié conforme aux différentes normes mondiales, avec notamment des homologations CE et US FCC. La combinaison du SiP RSL10, des capteurs ultra-basse consommation BME280 et BMA400, et du thermomètre numérique et alarme NCT203 d'ON Semiconductor a donné naissance à la plateforme multi-capteurs à cellule solaire RSL10 ( voir photo page précédente ). Ce nœud capteur sans pile prêt à l'emploi se connecte à un concentrateur tel qu'une passerelle ou un smartphone, par le biais de Bluetooth Low Energy. Il est fourni avec son code source, des schémas et des fichiers Gerber aux fins de personnalisation. La combinaison de technologies ultra-faible consommation au sein de la plateforme multi-capteurs RSL10 permet de capturer et de transmettre des données environnementales et inertielles dans une trame de moins de 10ms, avec un courant moyen de 10 mA. Pour en faire une application pratique, le sous-système de récolte d'énergie doit juste fournir assez d'énergie pour assurer cette activité selon un certain rapport cyclique. Étant donné que la vitesse à laquelle l'énergie peut être acquise à partir de sources ambiantes, comme le soleil, est généralement faible, une approche consiste à mettre en œuvre ce que l'on appelle un «facteur de gain» par rapport au besoin énergétique du système. Par exemple, accumuler de l'énergie pendant une seconde et faire fonctionner le capteur pendant 10ms correspond à un facteur de gain de 100. Récolter pendant 10 s et détecter/transmettre pendant 5ms correspond à un facteur de gain de 2000. Afin d'alimenter la plateforme multi-capteurs à cellule solaire RSL10 pour une transmission durant 10ms à chaque seconde, le facteur de gain est donc de 100. Avec une récolte continue pendant 10s entre deux transmissions, le gain sera de 1000. Sur la base de ces chiffres, le capteur solaire doit fournir un courant de 10mA/100100µA ou 10mA/100010µA, pour transmettre à intervalles d'une seconde ou de 10 s, respectivement. Ces informations dictent le choix du module solaire approprié pour alimenter la plateforme multi-capteurs à cellule solaire RSL10. Celui-ci sera ensuite branché grâce au connecteur deux ports embarqué. Le module solaire Ribes Tech FlexRB-25-7030 répond presque parfaitement à cette exigence en fournissant 16µA à 200 lux ou 80 µA à 1 000 lux. Ce qui s'avère suffisant pour assurer une transmission de données de 10ms jusqu'à une fois par seconde ( voir photo ci-dessus ). 200 lux est une intensité typique de lumière naturelle d'intérieur dans le nord de l'Europe, un jour d'hiver avec un ciel couvert. Un ensoleillement supérieur, des sources de lumière artificielle additionnelles, ou une installation à l'extérieur ou près d'une fenêtre peuvent augmenter l'illumination de plusieurs centaines de lux. L'énergie ambiante récoltée est typique-ment stockée dans un condensateur ou une batterie rechargeable, selon les besoins de l'application. Les condensateurs, avec leur densité d'énergie inférieure, stockent moins d'énergie que des batteries pour un même volume ( voir figure page précédente ). Par conséquent, une pile secondaire peut être préférable dans le cas d'une application alimentée par énergie solaire, et qui doit rester active pendant de longues périodes sans aucune lumière ambiante. La plateforme multi-capteurs à cellule solaire RSL10 a fait l'objet d'une démonstration avec un panneau solaire du commerce, apte à fournir 16µA à 200 lux. Quelle solution de stockage d'énergie? Le choix d'une solution de stockage d'énergie doit aussi tenir compte des dispositions prises pour contrôler la charge et la décharge. Une batterie a besoin de protection contre la surcharge et la sur-décharge, ce qui peut nécessiter un régulateur à découpage. Cela implique donc un circuit intégré et des composants externes supplémentaires. D'un autre côté, un condensateur de tension nominale appropriée n'a pas besoin de circuit de charge, ni de composants de protection. Dans tous les cas, cependant, une régulation de la tension de sortie est nécessaire. La plateforme de capteurs RSL10 dispose d'un condensateur de stockage de 47 µF bas-profil, alors que la tension est régulée à l'aide du NCP170. Ce dernier est un simple régulateur linéaire à faible perte (LDO) et courant de repos ultra-faible, qui minimise les fuites de la précieuse énergie récoltée. En outre, les dispositifs embar-qués ont été sélectionnés pour offrir une tension d'entrée minimale basse, ou une plage de tension d'alimentation large, afin d'assurer une régulation simple. Le condensateur de stockage autorise un déploiement dans des endroits où règne une luminosité élevée, sans longues périodes d'obscurité prévues. Dans de tels contextes, un fonctionnement en continu est possible. Le module est livré pré-flashé avec un micrologiciel de balise d'entrelacement, permettant de diffuser les données du capteur et les données d'état du système, telles que le niveau de tension du condensateur, en s'appuyant sur le mode balise de Bluetooth 5. Ce micrologiciel est compatible avec les applications BLE Scanner iOS et Android. Conclusion L'écart entre les besoins d'énergie du système embarqué typique et l'énergie que les systèmes de récolte d'énergie sont capables de fournir est en voie d'être comblé. Les technologies de récolte d'énergie sont désormais plus efficaces pour capter l'énergie ambiante, mais c'est grâce au développement incessant de technologies de semi-conducteurs ultra-basse consommation et de protocoles de radio-transmission à haut rendement, comme Bluetooth Low Energy, que les terminaux IoT vraiment sans batterie sont désormais viables. La plateforme multi-capteurs à cellule solaire RSL10 prête-à-l'emploi démontre que les capteurs sans batterie sont aujourd'hui prêts pour des déploiements IoT à grande échelle. n

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