1.7 Historique des réalisations de nœuds de capteurs complets
1.7.1 Démonstrateurs de laboratoires
1.7.1.1 Nœuds de taille millimétrique
Dans la littérature, plusieurs nœuds de capteurs ont été conçus pour atteindre des tailles millimétriques en empilant les différentes puces, batterie ultrafine et récupérateurs d’énergie les uns sur les autres et en les reliant par des fils de connexions (par technique de wirebonding) [60] [101] [98]. Dans [60], l’équipe a conçu un nœud de capteurs pour mesurer la pression interne de l’œil dans le cadre de la maladie du glaucome (figure 1.10). Son volume est de 1, 5mm3 et contient le transceiver pour communiquer à courte portée
(10cm), l’unité de gestion de l’énergie avec des cellules photovoltaïques (PV), la batterie ultrafine ainsi que le microcontrôleur et le capteur de pression intraoculaire. Le transceiver radio est alimenté par RF au moment de transmettre les données. Ce nœud est capable de consommer en moyenne 5,3nW pour une mesure de la pression interne de l’œil toutes les 15 minutes. Les cellules solaires sont capables de fournir 80,6nW à la batterie en en- soleillement. Le processeur consomme 90nW en mode actif en étant alimenté sous le seuil (Sub-Vt13) et 71,8pW en mode de repos le tout dans la technologie 180nm.
Dans [101] l’équipe du professeur Sylvester a développé un nœud de capteurs d’un volume de 1mm3ayant comme principal capteur un imageur de 96×96 pixels consommant
16 applications et nœuds de capteurs communicants 680nJ par image. La partie numérique comporte deux processeurs ARM cortex M0 dont l’un sert aux calculs avec une mémoire volatile pour le traitement de l’image (cœur de traitement du signal conçu dans une puce en technologie 65nm, alors que l’autre sert au contrôle de l’application et est implémentée avec sa mémoire de rétention pour le programme dans une puce de technologie 180nm. Toutes les couches (imageur et cellules solaires de 0, 54mm2, batterie de 0.6µAh, cœur DSP, cœur de contrôle et communication
optique ainsi que les capacités de découplage) sont empilées et reliées par wirebonding (figure 1.10). Le circuit arrive à atteindre des consommations de 40µW en mode actif et 11nW en mode de repos. Dans [98], l’équipe du professeur Sylvester a ensuite développé un nœud de volume 2 × 4 × 4mm3 avec un imageur de résolution supérieure : 160 × 160 pixels
(figure 1.10). Ce nœud est capable de détecter en continu des mouvements avec seulement 304nW de consommation et 15nW en mode de repos. Ce système est toujours basé sur un processeur ARM Cortex M0 et possède une cellule solaire de 2, 5mm2 pouvant fournir une
charge à la micro batterie jusqu’à 120nA.
Figure 1.10 – Nœuds de taille millimétrique construits par empilement de puce. (1) Nœud de capteurs pour pression intraoculaire [60], (2) nœud de capteurs de température et imageur ainsi que récupération d’énergie par cellule solaire [101], (3) nœud de capteurs avec détection de mouvement en continu et récupération d’énergie par cellule solaire [98]
1.7.1.2 Nœuds de taille centimétrique
Plusieurs équipes ont également créé des nœuds de capteurs de tailles centimétriques avec des composants discrets soudés sur PCB14. PicoCube [59] est un nœud de 1cm3com-
posé de 5 PCBs empilés (figure 1.11). Ce nœud intègre un microcontrôleur MSP430, un capteur de pression de pneu (TPMS15), un accéléromètre, une radio conçu pour l’applica-
tion et consommant 1,35mW, des interrupteurs de puissance (power switchs), une batterie NiMH et super-capacité. Ce système est aussi capable de récupérer l’énergie vibratoire
14. printed circuit board : circuit imprimé 15. Tire Pressure Monitoring System
Historique des réalisations de nœuds de capteurs complets 17 pour alimenter et recharger la batterie. En moyenne PicoCube consomme 6µW pour l’ap- plication de mesure de la pression des pneus. Un microsystème implantable sans fil pour l’enregistrement neuronal multicanaux [138] a été développé par l’équipe de Sodagar. Ce nœud de 1, 4cm × 1, 55cm permet d’enregistrer simultanément sur 64 canaux l’activité neuronale d’une personne (figure 1.11). Ce nœud étant directement implanté sous la boite crânienne, une alimentation par couplage inductif au niveau de la partie réception de la radio a été nécessaire. Ce nœud consomme en moyenne 14,4mW pour un scan des canaux à 62.5kS/s. Pour cela deux processeurs neuronaux (NPU16) sont utilisés pour échantillonner
chacun 32 canaux. Dans [43], l’équipe de Sentieys a développé un nœud de capteur Pow- Wow intégrant comme processeur le MSP430, un FPGA17 pour l’accélération de tâches
de calculs comme les codes correcteurs d’erreurs mais aussi pour les tâches de gestion de la puissance et de la fréquence en appliquant de la gestion dynamique de fréquence et de la tension (DVFS18) sur le processeur. De plus, le FPGA qui est placé entre le processeur
et la radio CC2420 [150], est capable de filtrer les paquets reçus et de réveiller uniquement le processeur quand cela est utile. Il peut aussi modifier dynamiquement la puissance de la radio en fonction des conditions du canal. Toutes ces techniques permettent de réduire considérablement la consommation globale du nœud. Le FPGA consomme de 2.2µW à 30mW suivant le mode de consommation et ce qui est exécuté pendant que le processeur consomme 330µA à 1 MHz et 2,2 V et 1, 1µA dans le mode de veille. Ce nœud est ca- pable aussi de pouvoir gérer différents récupérateurs d’énergie ainsi que différents types de stockage d’énergie.
Figure1.11 – Nœud de taille centimètrique. (1) PicoCube [59], (2) microsystème implantable sans fil pour l’enregistrement neuronal multicanaux [138], (3) PowWow [43]
16. Neural Processing Unit
17. Field-Programmable Gate Array 18. Dynamic Voltage and Frequency Scaling
18 applications et nœuds de capteurs communicants