Système d’alimentation et de gestion de la puissance

Puisque l’EcoChip sera soumis à des températures possiblement extrêmes selon les régions où il est implanté, celui-ci doit pouvoir fonctionner malgré les températures froides et avoir une durée de vie la plus longue possible dans ces environnements puisque les taux de crois- sances bactériens seront assez faibles.

3.2.4.1 Conception logicielle et électronique

En plus d’utiliser les modes de basse consommation lorsqu’il est possible de désactiver cer-

tains périphériques, comme mentionné à la section 3.2.1, il est aussi possible de diminuer

encore plus la consommation en courant du microcontrôleur en effectuant certaines opéra- tions. Une des choses les plus importantes à faire et réduisant le plus la consommation de courant consiste à initialiser correctement les différentes broches du MSP430F5529 qui ne

sont pas utilisées par le système. Comme mentionné dans [61], pour les broches d’entrée-

sortie à usage général (GPIO) il est préférable de les configurer en entrée et d’utiliser une

configuration de résistance en pull-down interne afin de limiter la consommation en courant causé par ces broches. Une autre méthode facilement implantée est d’éviter de faire du "flag

polling"soit de vérifier à chaque itération du programme si une certaine condition est atteinte.

Pour cette raison, le code de l’EcoChip utilise le plus souvent possible des interruptions pour les différentes communications entre ses systèmes.

La figure3.10présente un graphique de la consommation en courant pour une mesure d’im-

pédance. La consommation est présentée pour une seule mesure d’impédance, une transmis- sion de donnée par sans-fil et une écriture en mémoire afin de faciliter le visionnement des données. En effet, sur ce cycle simple on peut voir en action tout les systèmes de l’EcoChip et on évite aussi d’avoir à afficher le cycle complet de mesure des 96 puits qui prend environ 160 secondes à être complété, ce qui rendrait difficile le visionnement des différents pics de consommation. Le temps d’analyse pour un puits est assez court et ne dure environ qu’un peu plus d’une seconde. Sur ce graphique on peut voir que l’analyse du puits se produit un

peu après la 7e seconde et un peu après la 8e. Le reste de la consommation électrique sur

ce graphique est surtout représentée par les autres systèmes, comme détaillé par la séquence présentée un peu plus bas. Pour simuler le processus complet de sauvegarde et de transmis- sion, des données aléatoires sont déjà chargées pour simuler les 95 mesures d’impédance non effectuées. Une moyenne mobile sur quatre valeurs est appliquée sur les données afin de limi- ter les oscillations et de filtrer un peu les résultats obtenus. Afin de limiter la consommation énergétique du système, l’EcoChip est programmé pour avoir deux modes d’utilisation : le mode actif et le mode sommeil.

FIGURE3.10 – Consommation en courant du système complet pour une mesure

Le principe est que le système doit seulement se réveiller du mode sommeil lorsqu’il doit effectuer une séquence de mesures. Une séquence de mesures se déroule comme suit :

1. Le système est en mode sommeil avant de commencer le cycle (0 à 2 secondes sur le graphique) ;

2. Le système se réveille et les paramètres sont chargés (2 à 3 secondes sur le graphique) ; 3. Le système prend les mesures d’humidité, de température, de luminosité et de tension de la batterie. Ces données sont sauvegardées en mémoire et transmises sur le lien sans fil (3 à 7 secondes sur le graphique) ;

4. Le système de mesure d’impédance effectue sa calibration automatique (pic à 7 se- condes environ) ;

5. Le système mesure l’impédance, enregistre les données et les envoie par le lien sans fil (8 à 11 secondes sur le graphique) ;

Il existe plusieurs façon de diminuer la consommation d’un système électronique en choi- sissant adéquatement les composants utilisés lors de la conception de celui-ci. En plus des méthodes d’initialisation des broches inutilisées et du fonctionnement par interruption des systèmes de communication, afin de limiter la consommation énergétique d’autres straté- gies sont utilisées. La plupart des systèmes électroniques demandent régulièrement plusieurs tensions d’alimentation différentes et il est donc nécessaire de choisir plusieurs régulateurs de tension pour l’ensemble des circuits. Plusieurs types de régulateurs existent afin d’obtenir ces différentes tensions d’alimentation et offrent différentes caractéristiques. Par exemple, les régulateurs linéaires présentent une efficacité plus faibles que des régulateurs à découpage, ceux-ci devraient donc être privilégiés lorsque possible. Ces régulateurs linéaires sont aussi moins à risque d’introduire du bruit sur les rails d’alimentation. En effet, pour alimenter le circuit des tensions de 1.8V, 3.3V et 5V sont nécessaire et le choix des régulateurs utilisés est principalement motivé par la faible consommation et l’efficacité de ces derniers. Ces ré- gulateurs sont aussi choisis car ils possèdent des broches "Enable" permettant de désactiver la pièce et donc d’éliminer la consommation en courant de cette dernière et du circuit global

[62].

La figure 3.11 présente le circuit d’alimentation de l’EcoChip. L’alimentation de 1.8V est

la seule qui est toujours activée puisqu’elle est utilisée pour alimenter le microcontrôleur du système. Les alimentations de 5V et 3.3V sont nécessaires pour les autres systèmes du circuit complet et peuvent donc être activées ou désactivées de façon à préserver de l’énergie. Les broches "Enable" et les entrées de ces deux sources d’alimentation sont contrôlées par

un interrupteur électronique (TPS22918) actionné directement par le microcontrôleur [63].

Cette stratégie permet de contrôler facilement les alimentations avec un seul signal provenant du microcontrôleur.

3.2.4.2 Batteries

Puisque la capacité d’une batterie diminue rapidement avec une diminution de la température et que l’EcoChip doit pouvoir fonctionner par temps froid, il est nécessaire de sélectionner

une batterie adéquate. La figure3.12tirée de [64] présente la capacité en courant et la tension

d’une cellule Lithium-ion standard pour des températures entre 25◦C et - 15◦C. Il est obser-

vable sur ce graphique que la tension de départ de la cellule est réduite de 77% à -15◦C par

rapport à celle à 25◦, en considérant ceci il devient évident que le choix de la batterie pour

l’EcoChip est critique puisque le système doit opérer principalement dans des conditions où la température ambiante est assez basse.

FIGURE3.11 – Circuit du système d’alimentation de l’EcoChip

des températures extrêmes et capables de conserver des performances acceptables dans ces mêmes conditions. Une compagnie fabriquant ce genre de batteries est Tadiran. Cette com- pagnie produit plusieurs types de batteries au lithium conçue pour fonctionner à des tempé-

ratures entre -55◦C et 85◦C, une plage de température adéquate pour le système proposé. Le

modèle TL-5930 est particulièrement intéressant pour le projet puisqu’il possède une capacité

de 19 Ah et une tension nominale de 3.6V [65].

À l’aide de ces informations et de la consommation en courant mesurée à la section 3.2.4.1,

il est possible d’estimer la durée de vie de la batterie de l’EcoChip. Premièrement, à partir de

la figure 3.10 on évalue que la consommation en mode actif est de 30 mA en moyenne. La

consommation en mode sommeil demande quant à elle une mesure effectuée par un appareil

plus précis. Pour ce faire, un multimètre Keithley 2001 [66] est utilisé et permet de mesurer un

courant d’alimentation total de 22 µA en mode sommeil. Comme déjà mentionné, un cycle complet de mesure pour les 96 puits et les mesures environnementales prend 160 secondes et on peut estimer à la hausse une consommation continue de 30 mA durant ce temps. Puisque le système est programmé pour effectuer un cycle d’analyse à chaque intervalle de 5 heures, on peut encore une fois estimer environ 5 analyses par jour pour un total de 13.33 minutes en mode actif par jour. Ce qui reste 1426.67 minutes pour le reste d’une journée de 1440 minutes. Il est ainsi possible de simplement utiliser une moyenne pondérée avec ces données pour calculer la consommation journalière en courant de l’EcoChip comme présenté à l’équation

3.6.

Consommation journaliere` = (13.33min · 40mA) + (1426.67min · 0.022mA)

1440min = 0.392mA

(3.6) Avec cette consommation journalière moyenne estimée de 0.392 mA on peut maintenant

utiliser l’équation3.7afin d’évaluer la durée de vie de l’EcoChip dans des conditions idéales.

Dure de vie´ =Capacite de la batterie´ (mAh)

Consommation(mA) =

19000mAh

0.392mA = 48449h ≈ 2019 jours (3.7)

On obtient alors une durée de vie estimée de 2019 jours qui est calculée pour des conditions idéales d’utilisation de la batterie que ce soit en terme de taux de décharge ou de température ambiante et sans prendre en compte la baisse de tension de la batterie causée par la tempéra- ture ou la décharge. Il est difficile d’évaluer l’impact de ces différents paramètres puisque la température et plusieurs autres facteurs en jeu ne sont pas constant sur la période d’utilisation

du système dans la nature, en particulier à cause des différentes saisons et du cycle jour/nuit. Par contre, l’autonomie estimée du système étant très bonne on peut assumer que le système devrait au moins avoir une durée de vie d’une année dans la nature, ce qui représente moins d’un sixième de l’autonomie calculée.