Fonctions électroniques intégrées

Les vêtements intelligents peuvent comporter des fonctions électroniques variées :

- des capteurs d’activité (accéléromètres, gyroscopes), permettant la mesure du mouvement de l’utilisateur ;

- des capteurs biologiques qui réalisent des relevés physiologiques, par exemple la température, pulsation cardiaque, niveau de stress, fréquence respiratoire ;

14 - des capteurs de position (GPS)

- un module de contrôle et de traitement de l’information ; - des modules de transmission/réception de données sans fil ; - des modules d’affichage et de contrôle direct pour l’utilisateur ; - des systèmes « actionneurs », par exemple des modules chauffants.

Avant de démarrer l’étude des solutions possibles pour assurer l’autonomie des vêtements connectés, leur consommation électrique doit être évaluée. Cette thèse s’intéresse particulièrement aux applications sportives, par exemple aux maillots intelligents permettant la mesure des performances. La TABLE 1-1 indique la consommation électrique de quelques systèmes d’intérêt pour cette application.

TABLE 1-1–Consommations électriques de quelques systèmes intégrables aux vêtements

Système Veille Actif Réf.

Accéléromètre 3axes avec capteur température (ADXL363) 20nW 4-20µW Datasheet

Capteur de mouvement 9axes (MPU-9250) 20µW 0.7 - 9mW Datasheet

Capteur de température (STLM20) 10µW-20µW Datasheet

Capteur de pouls optique (BH1790GLC) 3µW 600µW Datasheet

Electrocardiogramme intégré 500µW [20]

Electroencéphalogramme serre-tête 800µW [21]

Microcontrôleur (STM32L432KB) 3µW 1mW (@ 5MHz) Datasheet

Module Bluetooth Low Energy (BLE nRF51) 10µW 40mW [22]

Module GPS (L70) 600µW 40mW Datasheet

Les postes de communication sans fil (Bluetooth Low Energy - BLE) et de localisation (GPS) sont de loin les plus exigeants. En supposant un fonctionnement continu de tous les systèmes, ces deux organes représentent à eux deux plus de 80% de la consommation électrique totale du vêtement intelligent, qui est de l’ordre de 100mW. Celle-ci peut être réduite par un mode de fonctionnement intermittent, associé à un rapport cyclique de fonctionnement 𝛼_𝑇 de chaque système, défini par sa durée d’activité sur une durée d’utilisation considérée :

α_T =ΔT_actif

Tcycle (1-1)

Les différents modules peuvent avoir des rapports cycliques différents, qui dépendent de la dynamique des signaux physiques mesurés et des temps d’activité minimum nécessaires à la réalisation ponctuelle des fonctions. Par exemple, il est montré dans [20] qu’un système d’oxymétrie de pouls, avec unités de traitement du signal et de communication comprises, peut consommer en moyenne seulement 60 µW, pour une mesure toutes les 15s. Pour notre étude, nous considérerons un fonctionnement à α_T= 1/20 des modules BLE et GPS, ce qui est par exemple suffisant pour un envoi/réception de données via BLE chaque 100ms, et une mesure de position GPS toutes les 6-7 minutes environ. Dans ces conditions, la consommation moyenne du vêtement est alors réduite à environ 10mW. En prenant en compte les pertes intrinsèques aux organes de transport (pertes Joule dans les fibres conductrices), de stockage (décharge temporelle), et des circuits de gestion de l’énergie, on peut donc cibler une source d’énergie de l’ordre de 20mW avec un rendement global de 50%. La gestion des alternances veille/activité par le microcontrôleur peut par ailleurs permettre d’adapter en temps réel le régime de fonctionnement du vêtement aux ressources électriques disponibles, et donc d’abaisser encore davantage la consommation.

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4.2 Pertinence de la récupération d’énergie

A partir de cet objectif de puissance de la source électrique (20mW en moyenne lors de l’utilisation du vêtement), il est intéressant d’évaluer la durée d’autonomie du vêtement connecté en utilisant des piles/batteries usuelles. Un modèle simple de l’évolution temporelle de l’énergie 𝐸 contenue dans une unité de stockage est décrit par l’équation (1-2). La puissance consommée 𝑃_{𝑐𝑜𝑛𝑠𝑜}est modélisée par un signal créneau et alterne entre la veille (0mW) et l’activité (20mW). Le taux d’autodécharge 𝑡_𝑎𝑑 propre à l’unité de stockage est également pris en compte. La décharge est considérée comme complète lorsque l’énergie stockée atteint une valeur d’énergie résiduelle (énergie non exploitable à cause d’un courant ou d’une tension de sortie trop faible). Nous avons fixé celle-ci à 10% de l’énergie totale initiale.

E(t + dt) = E(t) − tad∙ dt ∙ E(t) − Pconso(t) ∙ dt (1-2) Quelques types de batteries sont comparés dans la TABLE 1-2. Trois niveaux d’usage du vêtement sont distingués, l’usage modéré (2h par semaine), l’usage intensif (2h par jour) et l’usage continu.

TABLE 1-2–Alimentation sur batterie Système

Durée de vie @ 20mW conso. en utilisation, avec prise en compte de l’autodécharge des batteries autonomie pour un peu moins de deux ans, ce qui est satisfaisant. En revanche, dans le cas d’un usage continu, par exemple dans des applications militaires, l’autonomie n’est plus que d’une semaine. Il faudrait donc relier ces estimations à la durée de vie du vêtement connecté pour mieux qualifier la pertinence de l’utilisation de batteries.

Le principal critère en faveur de l’utilisation d’une solution de récupération d’énergie pour cette application est sans doute le confort d’usage : l’utilisateur n’a pas à s’inquiéter de la recharge d’une batterie ou de son remplacement, quelle que soit la fréquence d’utilisation du vêtement connecté. Suivant la structure du récupérateur, celui-ci peut aussi être mieux adapté à des environnements de températures « extrêmes » (haute montagne, machine à laver) que les batteries, ou plus ergonomique (poids, souplesse mécanique etc.). La fin de vie du vêtement peut également être simplifiée, et les dispositifs de récupération d’énergie peuvent éventuellement être réutilisés, ce qui est un argument économique positif en comparaison au traitement particulier des batteries électrochimiques qui est plus contraignant pour l’utilisateur. L’option récupération d’énergie peut donc se justifier, sous réserve qu’il soit techniquement possible de réaliser une/des structures respectant les contraintes du vêtement connecté et capables de répondre au besoin énergétique de celui-ci.

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III La récupération d’énergie autour de la personne

Les énergies ambiantes (ou « circonstancielles ») représentent une première catégorie de sources d’énergie pour l’alimentation des systèmes portés par la personne. On peut distinguer trois principales sources pour cette application : la lumière, la chaleur (ou le gradient thermique) et les ondes RF.