Conception et réalisation d'une nouvelle architecture multi-entrées multi-sorties pour la gestion de micro puissance dans les systèmes autonomes

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Submitted on 4 Apr 2019

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puissance dans les systèmes autonomes

Adrien Ramond

To cite this version:

Adrien Ramond. Conception et réalisation d’une nouvelle architecture multi-entrées multi-sorties

pour la gestion de micro puissance dans les systèmes autonomes. Micro et nanotechnolo-

gies/Microélectronique. INSA de Toulouse, 2011. Français. �NNT : 2011ISAT0045�. �tel-00660368v2�

Concept ion et réa l isat ion d ’une nouve l le arch itecture mu lt i-entrées

mu lt i-sort ies pour la gest ion de m icro pu issance dans les systèmes

autonomes

Thèse préparée au LAAS -CNRS , UPR 8001 , 7 avenue du Co lone l Roche , 31077 Tou louse cedex 4

et f inancée par le pro jet PCB² .

i i i

Résumé :

Mots -c lés : DC/DC S I M IMO , MPPT , généra teur p iézoé lectr ique , ce l lu le photovo lta ïque , batter ie L IPON , WSN

L ’autonom ie énergét ique des systèmes embarqués est un fre in ma jeur au déve loppement de l ’ inte l l igence amb iante et de l ’ internet des ob jets . Cette thèse présente un système génér ique de gest ion de m icro -pu issance capab le d 'a l imenter un nœud de réseau de capteurs autonomes et commun ican t sans f i l (WSN ) . L ’arch itecture proposée est basée sur un convert isseur DC/DC aba isseur s imp le inductance mu lt i -en trées mu lt i -sort ies (S I M IMO ) assoc ié à un c ircu i t de recherche du po int de pu issance max ima l (MPPT ) très basse consommat ion . Nous montrons dans ce trava i l que cette fam i l le de convert isseurs permet d ’hybr ider e f f icacement p lus ieurs sources et p lus ieurs é lémen ts de stockage pour fourn ir les tens ions régu lées nécessa ires à l ’a l imentat ion é lectr ique d ’un nœud de WSN . Pour ce fa ire , et dans le cadre du pro jet PCB² , nous avons réa l isé un convert isseur S I M IMO à base de composants d iscrets u ltra basse consommat ion sur carte PCB . Ce convert isseur inter face un récupérateur p iézoé lectr ique , une ce l lu le photovo lta ïque et une batter ie f ine au L IPON (L ith ium Phosphorous Oxyn itr ide ) enterrée dans le c ircu it impr imé , pour a l imen ter un capteur de température enreg istreur . Le déve loppemen t de modè les pour chacun de ces d ispos it i fs et leur imp lémenta t ion dans un env ironnement de s imu lat ion système en VHDL -AMS a perm is , dans un prem ier temps , de va l ider le concept présenté , pu is , a gu idé le trava i l de concept ion et d ’opt im isat ion du c ircu it du démonstrateur . Le rendement a ins i obtenu avo is ine 55% dans les cond it ions norma les d ’ut i l isat ion et tend vers 70% lorsque le n iveau de pu issance qu i trans i te dans le convert isseur dépasse 500 µW .

Summary :

Keywords : DC/DC S I M IMO , MPPT , p iezoe lectr ic generator , photovo lta ic ce l l , L IPON battery , WSN

Energy supp ly o f embedded systems is l im it ing the deve lopment o f the internet o f th ings and more

genera l ly o f the amb ien t inte l l igence parad igm . Th is thes is presents a gener ic m icro -power

management system ab le supp ly a w ire less sensor node . The proposed arch itecture is based on a

S ing le Inductor Mu lt i Inputs Mu lt i Outputs (S I M IMO ) DC/DC converter coup led to an u ltra low power

Max imum Power Po in t Track ing c ircu it . In th is work , we show that th is fam i ly o f converter a l lows to

e f f ic ient ly hybr id iz ing severa l power sources w ith power storage e lements in order to prov ide

d i f ferent DC regu lated vo ltages that can supp ly a sensor node . In th is end , and in the framework o f

the PCB² pro ject , we rea l ized a S I M IMO converter made o f d iscrete components on a pr inted c ircu it

board . Th is conver ter inter faces a p iezoe lectr ic generator , a photovo lta ic ce l l , and a th in - f i lm L IPON

L ith ium Phosphorous Oxyn itr ide ) battery bur ied in the PCB , in order to power a temperature data -

logger . The concept va l idat ion and the des ign o f the demonstra tor have been done thanks to dev ices

mode l ing and system s imu lat ions in a VHD -AMS env ironment . The e f f ic iency o f the c ircu it is abou t

55% in standard usage cond it ions and reaches 70% when the power pass ing through the converter

exceeds 500µW .

iv

v

Avant propos et remerc iements

Ce mémo ire présente mes travaux de recherche e f fectués au Laborato ire d ’Ana lyse et d ’Arch itecture des Systèmes du CNRS au se in du groupe Nano Ingén ier ie et Intégrat ion des Systèmes (N2 IS ) . Je souha ite remerc ier ic i Mess ieurs Ra ja Chat i la , Jean -Lou is Sanchez et Jean Ar lat , d irecteurs success i fs du LAAS -CNRS , a ins i que le d irecteur du groupe N2 IS , Jean -Yves Fourn io ls , de m ’avo ir accue i l l i pour ces 3 années de thèse .

Je t iens à remerc ier Jean -Mar ie Dorke l pour avo ir prés idé mon jury de thèse . Je remerc ie éga lement Patr ic ia Desgreys et De jan Vas ic d 'avo ir accepté de rapporter mon trava i l , a ins i que les autres membres du jury : Cyr i l Condem ine , P ierre B idan et Norbert Venet . Merc i à tous pour vos cr it iques et vos commen ta ires sur mon trava i l .

Je veux remerc ier mes deux d irecteurs de thèse , Caro le Ross i et Bruno Jammes , pour avo ir chacun dans leur sty le con tr ibué à fa ire about ir ce trava i l . Merc i à to i Bruno pour avo ir accepté de partager avec mo i ton bureau . Merc i pour ta pa t ience , ta d ispon ib i l ité et tes conse i ls tou jours av isés . Caro le , merc i pour ta con f iance . Tu m ’as tou jours donné la poss ib i l ité d ’exp lorer et de déve lopper mes idées . Merc i auss i de m ’avo ir con f ié les rênes du pro jet PCB² , ce fut vra iment une expér ience enr ich issante sur de nombreux p lans . Je su is b ien consc ient que peu de doctorants ont cette chance . Je n ’oub l ie pas non p lus de vous remerc ier tous les deux pour vos re lectures attent ives qu i ont perm is d 'amé l iorer la qua l i té de ce manuscr i t .

Je sa is i auss i l ’occas ion pour remerc ier l ’ensemb le des personnes imp l iquées dans le pro jet PCB² . En part icu l ier P ierre -Emanue l Goutorbe , in it ia teur et coord inateur du pro jet , qu i aura passé la ma in en cours de route à Thomas Cotxet . Merc i Thomas pour ton pro fess ionna l isme et ta bonne humeur . Je reste conva incu que c ’est en grande part ie grâce à tes e f forts que le pro jet a réuss i à about ir ma lgré tout les « imprévus » . Merc i à l ’équ ipe d ’EADS IW , en part icu l ier Gregor Mass iot , Roma in B ienvenu et V incent Rouet . Encore merc i à Norbert Venet , Ph i l ippe Kertesz , Ph i l ippe Pons , Chr ist ian Chastanet , Ph i l ippe Audoux et à tous ceux que j ’oub l ie… Ce pro jet fu t pour mo i vra imen t une très bonne éco le .

Mes remerc iements s ’adressent auss i à tous ceux qu i au labo ont pr is une part act ive à ce

trava i l . En prem ier l ieu Gustavo Ard i l la , Hugo Durou , Mar jor ie Sanchez et Kayu L i , sans oub l ier le

serv ice 2 I et en part icu l ier Fabr ice Math ieu , Dan ie l Méda le , Pa tr ick Marcou l et notre super

mécan ic ien Xav ier Do l lat . Je n ’oub l ie pas Chr istophe Escr iba , tou jours de bon conse i l , même tard

dans la so irée… Dan ie l Esteve , dont la porte est tou jours restée ouverte pour mo i , merc i Dan ie l pour

les rencontres que vous m ’avez amenées à fa ire… Et Samue l Char lot pour ses pet its coups de ma in à

répét it ion . Merc i auss i aux non mo ins préc ieux Chr ist ian Berty , Er ic Le Denma t et Br ig itte Cyr i l le qu i

par leurs act ions font chaque jour gagner beaucoup de temps à tout le monde . Toutes ces

expér iences huma ines resteront pour mo i de très bons souven irs . Je su is heureux d ’avo ir pu trava i l ler

et apprendre à vos cotés .

v i

été nombreux ma is , de tous , le p lus ass idu fut certa inement Jean -Mar ie . I l s 'en est fa l lu de peu pour que tu me vo ies arr iver , pu is repart ir ! Merc i d 'être revenu pour ass ister à ma soutenance . Je te souha ite s incèrement le me i l leur pour le futur… Merc i auss i à Mar ine et Hugo , mes prédécesseurs . Vous avez su , sans forcement le vou lo ir , me montrer la vo ie (avec br io ! ) . Vous m 'avez perm is d 'év iter certa ins écue i ls , j 'a i pour tant foncé tête ba issé vers d 'autres . Dans tous les cas , merc i à vous deux , ce fut deux années gén ia les , chargées de souven irs , que ces deux années passées à vos cotés . Un merc i tout part icu l ier à I lyes qu i sans le savo ir , un mat in en m 'envoyant un s imp le ma i l , aura surement fa it changé le cours de ma v ie en me fa isant rêver d 'aven ir , rêve qu i depu is est devenu réa l ité . Le futur d ictera le reste . Un grand merc i à to i I lyes . Merc i à mes compagnons de tro is ième année . Ch loé , Gu i l laume , Mehd i , Cédr ic , Anna , Xav ier et Ayse . Merc i pour l ’o l iv ier , ça c ’est vra iment un super cadeau . Je vous souha ite b ien du courage , le me i l leur reste à ven ir ! Merc i auss i aux Car los , à Nadège , Ham ida , Math ieu , Mohamed , Fabr ice , Maud , Hamza , Dav id , P ierre , Auré l ien et tous les autres avec qu i j 'a i cassé la croute ou bu un ca fé au mo ins une fo is , momen ts tou jours prop ices au débat d ' idées . Merc i auss i à ceux qu i dans les cou lo irs m 'ont tou jours répondu bon jour avec le sour ire et dont je ne conna is pas forcement le nom . C 'est vra iment un grand p la is ir que d 'évo luer au quot id ien dans un te l env ironnement de trava i l .

Comment ne pas remerc ier ceux sans qu i tout ce la n 'aura it pu être , mes paren ts . Merc i du fond du cœur de m 'avo ir o f fert d 'accomp l ir tout ce la . Merc i à vous deux de nous avo ir lancé dans la v ie , en nous donnant beaucoup , en vous oub l iant souvent . J 'a i ma intenant p le inement consc ience de tout ce que ce la représen te et je sa is que ne vous en remerc iera i jama is assez . Merc i à F lora , ma femme , ma muse , qu i aura , e l le auss i , supporté ces tro is ans ma lgré tout… L ’année passée n ’a par fo is pas été fac i le , ma is nous nous sommes d it « ou i » , nous nous sommes engagés ensemb le dans la v ie . Je su is à tes cotés et j ’a i con f iance en l ’aven ir . Ta jo ie de v ivre m ’éc labousse chaque jour , et même s i tu ne le cro is pas , je sa is que sans to i je n ’en sera i pas là au jourd ’hu i . 214 : ) Merc i auss i à ma sœur , Laet it ia , à A lexandre et à toute ma fam i l le . Merc i à ma « nouve l le fam i l le » , en part icu l ier à vous Jean et Laurence . Merc i en f in à mes am is , j ’espère que la v ie ne nous é lo ignera pas…

Vo i la qu i met un po int f ina l à tro is années de grand p ied , d 'extase sc ient i f ique , techn ique et

huma ine , de décept ion par fo is , de stress souvent , d 'apprent issage tout le temps , de jo ie , d ' idées

p le in la tete , de dé f is à re lever et de rêves… bre f tro is années de v ie , tro is années de thèse…

v i i

v i i i

Never know how much I love you Never know how much I care When you put your arms around me I g ive you fever that 's so hard to bare

You g ive me fever…

When you k iss me Fever when you ho ld me t ight

Fever ! In the morn ing Fever a l l through the n ight…

Joseph Arr ington Jr . (1956 )

ix

T ^{ABLE DES}

MATIÈRES GÉNÉRALE

INTRODUCT ION GÉNÉRALE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

CHAP ITRE I : L ’ ^{ÉNERG IE DANS LES RÉSEAUX DE CAPTEURS AUTONOMES} . . . . . . . . . 7

1 INTRODUCT ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2 LES RÉSEAUX DE CAPTEURS AUTONOMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2 .1 H ISTO IRE , FONCT IONS ET DÉF IN IT IONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2 .2 LE PROBLÈME DE L ’AUTONOM IE DES WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2 .3 UN EXEMPLE : LE RÉSEAU S IMPL IC IT I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16

3 RÉCUPÉRAT ION ET STOCKAGE D ’ÉNERG IE AMB IANTE - VERS L ’AUTONOM IE ÉNERGÉT IQUE DES NŒUDS CAPTEURS 17 3 .1 LES SYSTÈMES DE RÉCUPÉRAT ION D ’ÉNERG IE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

3 .2 LE STOCKAGE DE L ’ÉNERG IE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

3 .3 LA RÉCUPÉRAT ION D ’ÉNERG IE POUR L ’AL IMENTAT ION DES WSN – RÉSUMÉ ET ANALYSE . . . 35

4 LA GEST ION DE M ICRO -PU ISSANCE DANS LES WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 .1 LA V IS ION CLASS IQUE – L ’ARCH ITECTURE « SÉR IE » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 .2 ARCH ITECTURES AVANCÉES – PARALLÉL ISAT ION DES CHA INES DE PU ISSANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4 .3 SYSTÈMES DE GEST ION DE PU ISSANCE ET CONVERT ISSEURS DC -DC « S INGLE INDUCTOR » . 41

5 EN JEUX ET OB JECT IFS DE LA THÈSE - VERS UNE ARCH ITECTURE GÉNÉR IQUE MULT I -SOURCES . . . . 42

x

CHAP ITRE I I : C

RÉCUPÉRAT ION D ’ ^{ÉNERG IE ET DE LA BATTER IE} . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

1 INTRODUCT ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

2 LE GÉNÉRATEUR P IÉZOÉLECTR IQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2. 1 PRÉSENTAT ION DU D ISPOS IT IF CHO IS I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2. 2 DESCR IPT ION DU BANC DE CARACTÉR ISAT ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 53

2. 3 CHO IX DU MODÈLE ÉQU IVALENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

2 .4 EXTRACT ION DES PARAMÈTRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

2 .5 RÉSULTATS ET CONCLUS ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3 LE GÉNÉRATEUR PHOTOVOLTA ÏQUE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3 .1 PRÉSENTAT ION DU D ISPOS IT IF CHO IS I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3 .2 DESCR IPT ION DE LA PROCÉDURE DE CARACTÉR ISAT ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3 .3 CHO IX DU MODÈLE ÉQU IVALENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60

3 .4 EXTRACT ION DES PARAMÈTRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3 .5 RÉSULTATS ET CONCLUS ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

4 LA BATTER IE F INE L IPON . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4 .1 PRÉSENTAT ION DU D ISPOS IT IF CHO IS I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65

4 .2 DESCR IPT ION DES PROCÉDURES DE CARACTÉR ISAT ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4 .3 CHO IX DU MODÈLE ÉQU IVALENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4 .4 EXTRACT ION DES PARAMÈTRES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4 .5 RÉSULTATS ET CONCLUS ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

5 CONCLUS ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

CHAP ITRE I I I : C ^{ONCEPT ION ET S IMULAT ION DU SYSTÈME DE GEST ION DE} M ICRO - PU ISSANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

1 INTRODUCT ION – VUE D ’ENSEMBLE DU C IRCU IT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

x i

2 L ’ÉTAGE DE CONVERS ION AC/DC . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2 .1 LES CONVERT ISSEURS AC/DC ACT IFS OU SYNCHRONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

2 .2 LES CONVERT ISSEURS AC/DC PASS IFS OU ASYNCHRONES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

2 .3 CONCLUS ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3 MPPT : MAX IMUM POWER PO INT TRACK ING . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

3. 1 CARACTÉR IST IQUE DE PU ISSANCE DES SOURCES DE RÉCUPÉRAT ION D ’ÉNERG IE . . . . . . . . . . . . . . . . . 95

3. 2 MPPT – LES D IFFÉRENTES APPROCHES POSS IBLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

3. 3 MPPT ULTRA -BASSE CONSOMMAT ION PROPOSÉ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4 CONVERT ISSEUR DC/DC S INGLE INDUCTOR MULT IPLE INPUTS MULT IPLE OUTPUTS : DC/DC S I M IMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4 .1 PR INC IPE DE FONCT IONNEMENT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4 .2 D IMENS IONNEMENT DU CONVERT ISSEUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

4 .3 CONTRÔLE DU CONVERT ISSEUR DC/DC ET GEST ION DE LA PU ISSANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120

5 CONCLUS ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

CHAP ITRE IV : R ÉAL ISAT ION ET TEST DU SYSTÈME DE GEST ION DE M ICRO - PU ISSANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

1 INTRODUCT ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

2 MPMS : M ICRO -POWER MANAGEMENT SYSTEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

2 .1 CARTE 1 : PREUVE DE CONCEPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138

2 .2 CARTE 2 : CONVERT ISSEUR DC/DC S I D IDO + MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

2 .3 CARTE 3 : CONVERT ISSEUR DC/DC S I M IMO + MPPT . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144

3 VERS L ’ INTÉGRAT ION DE LA BATTER IE DANS LE DÉMONSTRATEUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

3 .1 PRÉSENTAT ION DU PRO JET PCB² . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152

3 .2 INTÉGRAT ION DANS LE PCB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154

3 .3 FABR ICAT ION DU DÉMONSTRATEUR . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157

4 CONCLUS ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

x i i

CONCLUS ION GÉNÉRALE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161

ANNEXES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167

ANNEXE 1 : TABLE DÉTA ILLÉE DES MOTES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

ANNEXE 2 : MACH INE À ÉTATS DU DC/DC S I M IMO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

L ISTE DES TABLES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181

LI STE DES F IGURES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185

RÉFÉRENCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

1

Introduct ion

généra le

2

3 I NTRODUCT ION GÉNÉRALE

e début des années 90 marque l ’appar it ion de l ’ Internet te l que nous le conna issons au jourd ’hu i [1 ] . La m ise en p lace de ce g igantesque réseau de réseaux a ouvert , et ouvre encore , des perspect ives qu i mod i f ient pro fondémen t notre v ie au quot id ien . Les années 2000 ont vu la na issance du « web 2 .0 » et des réseaux soc iaux [2 ] . Cet « internet des huma ins » représente l ’extens ion v irtue l le d ’ internet dans la soc iété des hommes . Que lques années p lus tard , l ’ idée d ’un

« internet des ob jets » appara issa it log iquement [3 ] . Ce concept marque l ’extens ion d ’ internet au monde rée l et aux ob jets eux -mêmes [4 ] . Les ob jets inte l l igents , « smart th ings » , dev iennen t a lors une inter face d irecte , inv is ib le et omn iprésente avec le réseau pour rapatr ier de l ’ in format ion rée l le sur le réseau v irtue l . On par le a ins i d ’ inte l l igence amb iante .

Ce la n ’est p lus au jourd ’hu i de la sc ience - f ict ion , pr inc ipa lemen t grâce au déve loppemen t exponent ie l des réseaux de té lécommun icat ion (sate l l ite , f ibre opt ique , GSM , W iF i… ) , des term inaux (té léphones portab les , PC portab les , notebook , Smar tphone et tab lettes tact i les… ) et p lus g loba lement de l ’é lectron ique numér ique et de toutes les techno log ies sous - jacen tes . Après l ’a ire des Inter faces Homme -Mach ine ( IHM ) , nous v ivons au jourd ’hu i à l ’heure du « Mach ine To Mach ine » (M2M ) , et l ’avènement de l ’ Internet des Ob jets n ’est p lus très lo in [3 ] .

En 1997 le pro fesseur P ister , du BSAC (Berke ley Sensor and Actuator Center ) de l ’Un ivers ité de Berke ley , lance le pro jet « Smart Dust » . L ’ob ject i f est de concevo ir des m icro -capteurs (<1mm3 ) pour la surve i l lance des champs d ’opérat ion m i l i ta ire [5 ] . Dès lors , une communauté sc ient i f ique va se fédérer derr ière l ’ob ject i f de mettre en réseau des capteurs pour créer une forme d ’ inte l l igence amb iante . Ces réseaux de capteur sans f i ls (WSN ) vont être rap idement con frontés au prob lème de l ’autonom ie énergét ique . En e f fet comment peut -on assurer l ’a l imentat ion é lectr ique des nœuds de ces réseaux , qu i , par dé f in it ion , sont en fou is dans l ’env ironnement sans aucun l ien phys ique en tre eux , n i avec le réseau é lectr ique ?

Seu le une product ion loca le d ’énerg ie é lectr ique (comme ce la est fa i t pour de nombreux systèmes embarqués : vo iture , av ion , sous -mar in , sate l l ite… ) au n iveau de chaque nœud permet , théor iquemen t , d ’a l longer à l ’ in f in i la durée de fonct ionnement du réseau . Cette idée sera le moteur de la communauté sc ient i f ique de la récupérat ion d ’énerg ie amb iante (« amb iant energy harvest ing » ) qu i va grand ir para l lè lement à ce l le des WSN . La stratég ie adoptée est de mettre à pro f it d i f férents e f fets phys iques (p iézoé lectr ic ité , e f fet Seebeck , e f fet photovo lta ïque , induct ion é lectromagnét ique… ) pour trans former l ’énerg ie présente loca lement autour du capteur en é lectr ic ité .

L

Pour rendre exp lo itab le cette énerg ie récupérée , i l s ’avère nécessa ire de doter le nœud d ’un organe de gest ion capab le de fa ire l ’ inter face entre les d i f férentes sources de récupéra t ion , un ou p lus ieurs é léments de stockage (accumu la teur é lectroch im iques , super -condensateurs… ) , et les consommateurs é lectr iques . La prob lémat ique de la gest ion de pu issance étant largement dé jà déve loppée dans la communauté sc ien t i f ique des System on Ch ip – System on Package (SoC – S iP ) , i l s ’ag ira ic i de l ’adresser au travers des contra intes in trodu ites par la récupérat ion/stockage d ’énerg ie amb iante , à savo ir :

− déve lopper une é lectron ique adaptée aux très fa ib les n iveaux de pu issance recupérée (<100µW ) ;

− gérer une grande dynam ique de courant ( jusqu ’à 4 ordres de grandeurs ) ;

− fonct ionner à très basse (d iza ines de mV ) ou à p lus haute (d iza ines de V ) tens ion ;

− d ’asserv ir le fonct ionnement des sources de récupérat ion d ’énerg ie à leur po in t d ’ém iss ion de pu issance max ima le ;

− gérer l ’ut i l isa t ion (charge/décharge ) d ’un ou p lus ieurs é léments de stockage de l ’énerg ie , et assurer leur protect ion (surcharge/décharge pro fonde ) ;

− fourn ir une ou p lus ieurs tens ions régu lées pour a l imenter les consommateurs é lectr iques du nœud (CPU , Rx/Tx , capteurs . . . ) .

Nous montrerons , dans cette thèse , qu ’une arch itecture de gest ion basée sur un convert isseur DC -DC

« S ing le Inductor » à p lus ieurs entrées et p lus ieurs sort ies permet de répondre à ce prob lème , en hybr idant e f f icacement p lus ieurs sources et é léments de stockage pour fourn ir les tens ions régu lées nécessa ires à l ’a l imentat ion d ’un nœud de réseau de capteurs . Nous part irons de ce concept pour a l ler jusqu ’à la réa l isat ion d ’un démonstrateur phys ique ut i l isant deux sources de récupérat ion d ’énerg ie , v ibrato ire (p iézoé lectr ique ) et photovo lta ïque (s i l ic ium amorphe en couche m ince ) , et une batter ie f ine de type L iPON (L ith ium Posphorous Oxo -N itr ide ) , pour a l imen ter un capteur de température data - logger . Pour atte indre cet ob ject i f , la m ise en p lace et l ’ut i l isat ion d ’une méthodo log ie de concept ion et d ’opt im isat ion g loba le et e f f icace s ’avèrera nécessa ire . Ce trava i l permettra a ins i de présenter et mettre en re l ie f les d i f férents aspects de cette méthodo log ie basée sur la s imu lat ion des d i f férents é léments du c ircu it décr its en VHDL -AMS . De p lus , ce démonstrateur s ’appu iera sur le procédé d ’ intégrat ion déve loppé dans le cadre du pro jet PCB² (Pass ive Component

& power on Board in Pr inted C ircu it Board ) , pr inc ipa l support f inanc ier des act iv ités de recherche présentées dans cette thèse . Nous mettrons a ins i en œuvre la techno log ie de batter ie enterrée , déve loppée en partenar iat avec C IREP , EADS IW , A irbus et Tha les AS , dans l ’op t ique de présenter un système compact intégrant l ’ensemb le des composan ts de man ière hétérogène sur carte PCB . Dans la prem ière part ie de ce manuscr it nous introdu irons p lus en déta i l la prob lémat ique de la gest ion de l ’énerg ie au se in des réseaux de capteurs , pu is nous dresserons un état de l ’ar t comp let permettant de s ituer les travaux présentés dans cette thèse .

Dans un second temps nous nous intéresserons aux deux sources de product ion d ’énerg ie

sé lect ionnées : le générateur p iézoé lectr ique et la ce l lu le photovo l ta ïque , a ins i qu ’à la batter ie

L iPON . Pour chacun de ces é léments , nous in trodu irons les pr inc ipes de fonct ionnement , avant de

présenter les résu ltats de nos caractér isat ions expér imenta les , pu is nous déta i l lerons l ’é laborat ion

des modè les VHDL -AMS qu i permettront les s imu lat ions du système comp let dans son

env ironnement fonct ionne l . Dans ce chap itre nous décr irons auss i le déve loppemen t du procédé

d ’ intégrat ion de la batter ie au se in du PCB , et les pr inc ipaux résu ltats ob tenus .

5 I NTRODUCT ION GÉNÉRALE

Le tro is ième chap itre présentera le trava i l de concep t ion du système de gest ion de pu issance mu lt i - sources . Nous déta i l lerons , tour à tour , les fonct ions de chaque b loc du c ircu it , en mettant l ’accent sur le convert isseur DC/DC S ing le Inductor Mu lt i - Input Mu lt i -Output , cœur du système de gest ion présenté dans cette thèse , et son é lectron ique de commande . Les cho ix et le d imens ionnement des composan ts seront argumentés , en nous appuyan t chaque fo is sur les résu ltats de s imu lat ions é lectr iques bas n iveau .

Le quatr ième et dern ier chap itre adressera en f in l ’ensemb le des réa l isa t ions e f fectuées au cours de

ce trava i l de thèse . Nous y présenterons , de man ière déta i l lée , les 3 cartes que nous avons réa l isées ,

a ins i que les résu ltats des caractér isat ions assoc iées . Nous donnerons les résu ltats re la t i fs à

l ’ intégrat ion de ba tter ies f ines dans le PCB , résu ltats obtenus dans le cadre du pro jet PCB² . Nous

présenterons en f in le c ircu it impr imé du démonstrateur intégrant la ba tter ie f ine , la ce l lu le

photovo lta ïque , le générateur p iézoé lectr ique , le cap teur de température , et le système de gest ion

de pu issance .

7

Chap itre I

L ’énerg ie dans les réseaux

de capteurs autonomes

8

9

C ^HAPITRE I

1 I NTRODUCT ION . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2 L ES RÉSEAUX DE CAPTEURS AUTONOMES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2. 1 H ISTO IRE , FONCT IONS ET DÉF IN IT IONS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2 .2 L E PROBLÈME DE L ’ AUTONOM IE DES WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 2 .3 U N EXEMPLE : LE RÉSEAU S IMPL IC I T I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 16 3 R ÉCUPÉRAT ION ET STOCKAGE D ’ ÉNERG IE AMB IANTE - V ERS L ’ AUTONOM IE ÉNERGÉT IQUE DES NŒUDS CAPTEURS 17

3 .1 L ES SYSTÈMES DE RÉCUPÉRAT ION D ’ ÉNERG IE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3 .2 L E STOCKAGE DE L ’ ÉNERG IE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3 .3 L A RÉCUPÉRAT ION D ’ ÉNERG IE POUR L ’ AL IMENTAT ION DES WSN – R ÉSUMÉ ET ANALYSE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36 4 L A GEST ION DE PU ISSANCE DANS LES WSN . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4. 1 L A V IS ION CLASS IQUE – L ’ ARCH ITECTURE « S ÉR IE » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

4 .2 A RCH ITECTURES AVANCÉES – PARALLÉL ISAT ION DES CHA INES DE PU ISSANCE . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

4 .3 S YSTÈMES DE GEST ION DE PU ISSANCE ET CONVERT ISSEURS DC -DC « S INGLE I NDUCTOR » . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

5 E N JEUX ET OB JECT IFS DE LA THÈSE - V ERS UNE ARCH ITECTURE GÉNÉR IQUE MULT I - SOURCES . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

10

11 I NTRODUCT ION

1 Introduct ion

e dép lo iement de réseaux de capteurs autonomes commun icants sans f i l est , avec le progrès des techno log ies de tagg ing (code -barres , matr ice 2D , et surtout RF ID ) , le fer de lance de l ’ internet des ob jets . Depu is p lus de 10 ans la communauté sc ient i f ique trava i l le sur le su jet en proposant des innovat ions qu i lèvent un à un les verrous b loquant le déve loppement de ces réseaux à grande éche l le . Au jourd ’hu i des so lut ions « c le f en ma in » sont d ispon ib les [1–5 ] et l ’on observe un trans fert de techno log ie vers l ’ industr ie et les soc iétés commerc ia les . En e f fet les app l icat ions son t lég ions : de l ’hab itat inte l l igent , au contrô le de santé de structure , en passant par la surve i l lance des réseaux de transpor t et de d istr ibut ion (é lectr ic ité , eau , donnée et vo ie , transpor t ferrov ia ire , urba in , aér ien… ) , la grande d istr ibut ion et la gest ion de la cha ine log ist ique , pour ne c iter que les exemp les les p lus économ iquemen t porteurs . Pourtant des prob lèmes ma jeurs subs istent . En janv ier 2011 le réseau des inst ituts Carnot pub l ie un l ivre b lanc sur « les réseaux de systèmes commun icants et l ’ internet des ob jets » [6 ] qu i c ib le pr ior i ta irement 5 grands thèmes de recherche :

− La gest ion de l ’énerg ie à l ’éche l le de l ’ob jet ;

− Les arch itectures matér ie l les et log ic ie l les recon f igurab les ( le co -des ign et l ’ intégrat ion ) ;

− La con f ident ia l ité des données , le respect de la v ie pr ivée , la sécur ité et la f iab i l ité du réseau ;

− La qua l ité de serv ice et les protoco les de commun icat ions ;

− La gest ion du serv ice ( fus ion de données et tra i tement de l ’ in forma t ion ) .

Cette thèse adresse le prem ier po int . Le prem ier chap itre s itue les travaux entrepr is dans ce contexte généra l . I l sera structuré en 3 grandes part ies :

− Dans une prem ière par t ie nous essa ierons de dé f in ir ce qu ’est un réseau de capteurs autonomes . Nous dresserons l ’évo lut ion techno log ique des nœuds capteurs , depu is le 1er imag iné en 1998 , jusqu ’à au jourd ’hu i . Nous mettrons en f in en perspect ive la prob lémat ique de la consomma t ion de l ’énerg ie dans les réseaux de capteurs autonomes s ’appuyant sur un exemp le concret : le réseau S imp l ic iT I ;

− Dans une seconde part ie nous introdu irons la prob lémat ique de la récupérat ion et du stockage de l ’énerg ie au n iveau d ’un nœud capteur . Nous présenterons les d i f férentes sources d ’énerg ies d ispon ib les a ins i que les techno log ies assoc iées au stockage de cette énerg ie ;

− En f in , dans une tro is ième part ie nous d iscuterons des stratég ies de gest ion de cette énerg ie en nous basant sur l ’état de l ’art des travaux pub l iés dans la l ittérature . Nous cons idérerons d ’abord les arch itectures m ises en œuvre dans les réseaux de capteurs ex istants ut i l isant la récupérat ion d ’énerg ie amb iante comme mode d ’a l imenta t ion , pu is nous nous intéresserons part icu l ièrement aux travaux proposant des arch itectures mu l t i -sources / mu lt i -charges . Nous conc lurons ce chap itre en synthét isant les en jeux re lat i fs à la prob lémat ique de cette thèse . Le cadre de trava i l étant a lors f ixé nous donnerons les ob ject i fs v isés par ce trava i l de thèse .

L

2 Les réseaux de capteurs autonomes 2 .1 H isto ire , fonct ions et dé f in it ions

Un mote (abrév iat ion de remote sensor node ) est le nom amér ica in à ce que nous appe lons un nœud de réseau de capteurs autonomes commun icant sans f i l . Par abus de langage nous par lerons auss i de nœud capteur (sensor node ) . Un nœud capteur est la br ique de base d ’un réseau de capteurs autonomes commun icant sans f i l (W ire less Sensor Network ou WSN ) . C ’est la connex ion de p lus ieurs nœuds au travers d ’un protoco le de commun icat ion sans f i l (Z igBee , W iF i , IEEE 802 .15 .4 , GPRS , B luetooth , etc . ) qu i forme le réseau .

L ’ introduct ion du concept de WSN est souvent rattachée au pro jet « Smart Dust » de l ’Un ivers ité de Berke ley . En 1997 , le pro fesseur P ister du BSAC (Berke ley Sensor and Actuator Center ) propose de concevo ir un réseau de m icro -capteurs (<1mm ³ ) pour la surve i l lance des champs d ’opérat ion mi l ita ire [7 ] . L ’ob ject i f de te ls réseaux est de mesurer , co l lecter et mettre en forme de l ’ in format ion de man ière tota lemen t au tonome . Cette in forma t ion peut -être stockée loca lement sur le réseau , d istr ibuée entre les nœuds , ou être rapatr iée sur un serveur loca l v ia un nœud -passere l le , vo ire sur un serveur d istant v ia une connex ion Internet (F igure I -2 -1 ) .

Fi gure I-2-1 : La p lace des réseaux de capteurs autonomes commun icants sans f i ls dans l’Internet des Objets

Les nœuds sont dotés de capteurs spéc i f iques à la m iss ion qu i leur est ass ignée dans le réseau . On retrouve trad it ionne l lemen t des capteurs de température , de press ion , d ’hum id ité , de lum inos ité , de pH , de contra inte , des accé léromètres , un GPS , des capteurs de prox im ité des capteurs de v itesse , des détecteurs de présence ou de passage , des imageurs CMOS ou CCD , des détecteurs d ’ouverture ou de fermeture et de toute autre grandeur qu i pu isse être intéressante à mesurer… Certa ins nœuds du réseau peuvent auss i être re l iés à des act ionneurs ou à des systèmes d ’a ler te et d ’avert issement .

IN TE RN ET & AP PL IC AT I O NS

Réseau Loca l Réseau

Loca l

Réseau Loca l Tag -> Id -> Données (v ia BdDext . )

WSN -

Mesure et co l lecte de données

C loud comput ing Internet et mob i l ité Web 2 .0

App l icat ions commerc ia les

…

13 L ES RÉSEAUX DE CAPTEURS AUTONOMES

F igure I-2-2 : Arch itecture s tandard d’un WSN

L ’arch itecture d ’un nœud est centrée autour d ’un coup le CPU (Centra l Process ing Un it : mi crocontrô leur , processeur , FPGA… ) et Émetteur/Récepteur rad io (F igure I -2 -2 ) . Un Conver t isseur Ana log ique Numér ique inter face généra lement les capteurs avec le CPU . On peut que lque fo is noter l ’a jout d ’une mémo ire externe au processeur pour augmenter la capac ité de stockage de données sur le nœud . Certa ins nœuds sont dotés de deux processeurs ou d ’un m icrocontrô leur et un FPGA (composant log ique programmab le ) pour rendre l ’arch itecture du nœud recon f igurab le [8–11 ] . Une tab le syn thét isant l ’ensemb le de ces données pour tous les motes pub l iés depu is 1998 jusqu ’à au jourd ’hu i est présentée en annexe 1 . La Tab le I -2 -1 ret ien t seu lement le nom et l ’année de pub l icat ion pour chacune des réa l isa t ions ( les motes commerc iaux sont sou l ignés ) .

F igure I-2-3 : Les WSN : un exemp le de transfert de techno log ie entre recherche et industr ie Comme le montre la F igure I -2 -3 le nombre de motes pub l ié par an depu is 1998 n ’a cessé de progresser jusqu ’en 2005 . C ’est une pér iode durant laque l le la communau té sc ien t i f ique s ’est penchée sur la réa l isat ion de démonstrateurs pour fa ire la preuve de concep t du dép lo iemen t de réseaux de capteurs autonomes commun icant sans f i l . À part ir de 2005 et jusqu ’à au jourd ’hu i , on observe une d im inut ion du nombre de motes pub l iés . Dans le même temps , la part de l ’o f fre commerc ia le est devenue prépondérante . I l s ’ag it de grands groupes industr ie ls qu i se son t pos it ionnés sur le marché des WSN [1–5 ] , ou de start -up qu i e f fectuent un trans fert d ’ innova t ion des laborato ires académ iques vers l ’ industr ie [8 ] , [12–31 ] . Au f ina l depu is le mote WeC de l ’un ivers ité de Berke ley (USA ) en 1998 [14 ] , près de 100 arch itectures de mote ont été pub l iées , su ivant tou jours les dern ières évo lut ions techno log iques en terme de transce iver rad io et de m icrocontrô leurs basse consommat ion (Tab le I -2 -1 ) .

Au jourd ’hu i , compte tenu de l ’o f fre commerc ia le , de nombreuses pub l icat ions sc ient i f iques dans le doma ine des WSN sont basées sur des motes commerc iaux et c ib lent les app l ica t ions réseau . I l reste pourtant encore des verrous à lever au n iveau du nœud lu i -même [6 ] . En e f fet , contra iremen t aux

CPU

Tx/Rx (opt FPGA ionne l)

AD C ^Sensor1 _Sensor2

SensorN

P O WE R SU PP LY

data power

Me m.

Ext . mem .

(opt . )

so lut ions de tagg ing , les réseaux de capteurs autonomes et commun icants sans f i ls peuvent capter , stocker , créer et mettre en forme de l ’ in format ion , ce qu i nécess ite de l ’ inte l l igence . Là où une s imp le ét iquette , ou un tag RF ID , sont des é léments pass i fs seu lemen t interrogeab les , un réseau de capteurs est une interconnex ion de nœuds act i fs qu i consommen t de l ’énerg ie et do ivent donc être a l imentés .

2 .2 Le prob lème de l ’autonom ie des WSN

Avec le déve loppement de nœud act i f , la quest ion de l ’a l imentat ion é lectr ique des nœuds capteurs dev ient donc centra le . Comment assurer l ’autonom ie énergét ique du réseau sur de longues , vo ire très longues pér iodes de fonct ionnement ?

Au jourd ’hu i , la quas i intégra l ité des motes recensés est a l imentée par 1 , 2 ou 3 batter ies de type AA ou AAA ( [1 ] , [8 ] , [12 ] , [14 ] , [16 ] , [19 ] , [24 ] , [27 ] , [28 ] , [30 ] , [32–46 ] ) , ou par 1 p i le bouton de type BR - xxxx ou CR -xxxx pour les systèmes aux d imens ions p lus rédu ites ( [14 ] , [14 ] , [47–52 ] ) –c f . Annexe 1 . Cec i amène 2 constats :

− Les batter ies son t des é léments f in is de stockage de l ’énerg ie . La durée de v ie des nœuds est donc l im itée par la capac ité et la durée de v ie de la batter ie ;

− Le vo lume d ’une batter ie est d irectement re l ié à sa capac ité de stockage . I l y a donc un comprom is entre durée de v ie , capac ité de la batter ie et vo lume du nœud .

Auss i pour augmenter la durée de v ie du nœud la prem ière so lut ion à env isager est s imp lement de rédu ire la consommat ion des composants é lectron iques du nœud . Cette prob lémat ique de réduct ion de la consommat ion énergét ique déborde le doma ine des WSN pu isqu ’e l le s ’app l ique à l ’ensemb le du matér ie l é lectron ique portab le (PC , té léphones mob i les , lecteurs MP3 , appare i ls photo numér iques… ) . Les en jeux économ iques sont te ls que l ’on observe dès le début des années 2000 une tendance g loba le à la réduct ion de la consomma t ion des composan ts é lectron iques (à per formances éga les ) . Les retombées sont d irectes pour les WSN avec la m ise à d ispos it ion de m icrocontrô leurs , d ’ADC (conver t isseur ana log ique -numér ique ) , de capteurs et de modu les rad io u ltra basse consommat ion .

La deux ième so lut ion est de m ieux gérer l ’énerg ie g loba lement pour rédu ire la consommat ion moyenne du nœud . En e f fet une fo is que l ’on a m in im isé la consommat ion de chaque fonct ion au max imum , la seu le so lut ion restant pour rédu ire encore la consommat ion g loba le du nœud est d ’éte indre les fonct ions inut i les et ne les act iver que lorsqu ’e l les do ivent réa l iser leurs tâches . A ins i le nœud de réseau est p lacé dans un mode somme i l très basse consommat ion la ma jeure part ie du temps pour n ’être act ivé que pér iod iquement . On peut a ins i théor iquement rendre la consommat ion moyenne du nœud très fa ib le (asymptot iquement vers la consommat ion du mode somme i l ) . De p lus i l est poss ib le de modu ler cette consomma t ion , et donc de modu ler la durée de v ie du nœud , en jouant sur le rappor t cyc l ique de l ’act iv i té du nœud .

Grâce aux progrès fa its dans la réduct ion des consommat ions é lectr iques et dans la gest ion de

l ’énerg ie , un certa in nombre d ’app l icat ions de WSN sont au jourd ’hu i dé jà opérat ionne l les .

15 L ES RÉSEAUX DE CAPTEURS AUTONOMES

F igure I-2-4 : H istor ique des « Motes » les p lus représentat ifs

Year P lat form Re f . 1998 WeC [14 ] 1998 Rene1 [14 ] 1999 AWA IRS1 [53 ] 1999 µAMPS [32 ] 2000 Dot [14 ] 2000 Rene2 [14 ] 2001 BTNode [12 ] 2001 M ica [13 ] 2001 Smart- its

(Teco ) [54 ] 2001 SpotON [33 ] 2001 W INS NG 2 .0 [55 ] 2002 CENS Medusa

MK2 [56 ] 2002 GNOMES [34 ] 2002 iBadge [57 ] 2002 M ica2 [14 ] 2002 M ica2Dot [14 ] 2002 P icoNode [58 ] 2002 PushP in [35 ] 2003 ESB/2 [59 ] 2003 G lacsweb Probe [60 ] 2003 H iDRA [61 ] 2003 iMote [62 ] 2003 MANT IS

Nymph [63 ] 2003 RFRA IN [37 ] 2003 Spec [47 ] 2003 U3 [36 ] 2003 W isenet [38 ] 2004 BEAN [64 ] 2004 BSNnode [49 ] 2004 C ITSensor

Node [48 ] 2004 DSYS25 [65 ] 2004 M icaZ - 2004 M ITes [66 ] 2004 Part ic le [39 ]

2004 P luto70 [67 ] 2004 R ISE [68 ] 2004 Sent io [69 ] 2004 SP IDER- NET [70 ] 2004 Te los [14 ] 2004 ZebraNet [71 ] 2005 AVM

Demonstrator [72 ] 2005 Cook ie [10 ] 2005 ETRX1 [16 ] 2005 eyes IFXv2 [73 ] 2005 F leck [74 ] 2005 Imote2/

Stargate 2 [52 ] 2005 MASS [75 ] 2005 Mu l le [76 ] 2005 Paras it icnode [77 ] 2005 ProSpeckz I I [78 ] 2005 So larB iscu it [79 ] 2005 SunSpot [40 ] 2005 Te losB/

TmoteSky [80 ] 2005 T- nodes - 2005 Tynda l lMote [81 ] 2005 uPart 014x i lmt [50 ] 2005 XSM [46 ] 2005 XYZsensornode [52 ] 2006 µNode - 2006 D IY Smart- its

(Lancaster ) [54 ] 2006 ECO Node [82 ] 2006 EnOcean

TCM120 [15 ] 2006 Ever last [83 ] 2006 ez430- RF2480 [1 ] 2006 F ireF ly [41 ] 2006 NXP

JN5148 -EK010 [5 ] 2006 SAND [51 ]

2006 SH IMMER [26 ] 2006 Snows5 [84 ] 2006 So ftBaughDZM

D1612 -RF [28 ] 2006 T inyNode [42 ] 2006 ZN1 [85 ] 2007 ANT AT3 [17 ] 2007 Fantast ic

Datanode [43 ] 2007 IR IS [19 ] 2007 KMote [21 ] 2007 mP la t form [9 ] 2007 P lug [86 ] 2007 ScatterWeb [87 ] 2007 Squ idBee [20 ] 2007 WeBeeThree - 2007 Z igB it [18 ] 2008 CC2531EMK [2 ] 2008 Eco [52 ] 2008 Ep ic [22 ] 2008 Raven [8 ] 2008 Sens inode

Nano stack [44 ] 2008 Waspmote [29 ] 2009 Coron is

Wavecard [30 ] 2009 deUSB2400 [23 ] 2009 FreeStar PRO [3 ] 2009 Isense [45 ] 2009 SuperNode - 2010 CM5000 - 2010 EconoTAG [4 ] 2010 Sh immer2R [25 ] 2010 SOWNet

G -Node G301 [31 ] 2010 SuRF [24 ] 2011 Lotus [27 ]

Tab le I-2-1 :

H istor ique des « Motes »

WeC(1998 ) Rene2 (2000 ) M ica2 (2002 ) Te los(2004 ) ez430 (2006 ) WaspMote(2008 ) Sh imer2R (2010 )

2 .3 Un exemp le : le réseau S imp l ic iT I .

Le réseau S imp l ic iT I est basé sur le k it eZ430 -RF2500 de Texas Instrumen t [1 ] . Dans cet exemp le le nœud est programmé en mode End Dev ice et e f fectue des acqu is it ions de la température et de la tens ion de batter ie [88 ] . Les 2 mesures sont e f fectuées chaque seconde , le résu ltat est envoyé v ia la l ia ison sans f i l . Un autre nœud programmé en mode Access Po int et connecté par USB à un PC peut auss i serv ir d ’ inter face avec le réseau pour recevo ir et enreg istrer les mesures e f fectuées . ( http ://www .t i .com/ l it/z ip/s lac139)

1 Mesure de T°

2 Mesure de Vcc 3 Ca lcu l de T° et Vcc 4 M ise en route de l 'osc i l lateur 5 Démarrage du trans iver 6 Préparat ion du message 7 Accrochage PLL 8 Rx (vér i f ica t ion an t ico l l is ion ) 9 Passage du mode Rx au mode Tx

10 Tx

11 Passage au mode s leep

F igure I-2-5 : Prof i l de consommat ion du nœud eZ430-RF2500 en mode End Dev ice [88]

>

= <

I Capac i té V ie

de Durée

(eq . I- 1)

o f f on

s leep s leep

on on

t t

I t

I I t

+

>

<

+

>

>= <

< . .

(eq . I- 2)

Act iv ité rad io Courant

Consommé Durée d 'exécut ion XOSC startup 2 .7 mA 300 μs R ipp le counter

t imeout 1 .75 mA 150 μs Id le mode 1 .5 mA 375 μs PLL ca l ibrat ion 7 .5 mA 809 μs RX mode 18 .8 mA 180 μs TX mode 21 .2 mA 800 μs MSP430 act ive

current 2 .7 mA 2 .705 ms MSP430 LPM0

current 1 .1 mA 55 μs ADC10 act ive 850 μA 115 μs

Durée d 'exécut ion tota le 2 .88 ms

Tab le I-2-2 : Tab le des consommat ions du nœud eZ430-RF2500 en mode End Dev ice [88]

12 4 5 6 3 7 89 10 11 20mA

3ms t

I

17 R ÉCUPÉRAT ION ET STOCKAGE D ’ ÉNERG IE AMB IANTE - V ERS L ’ AUTONOM IE ÉNERGÉT IQUE DES NŒUDS CAPTEURS

mA mA

mA

I _on >= 2 . 59 + 9 . 74 = 12 . 33

< _{(eq . I-3)}

s µA

µA ms

s mA

I ms 36 . 8

1

3 . 1 ) . 88 . 2 1 ( 3 . 12 . 88 .

2 + − =

>=

< ^{(eq . I- 4)}

jours µA

h V ie mA

de

Durée 1132

8 . 36

. 1000 =

= (eq . I- 5)

Pour deux batter ies AAA de capac ité tota le 1000mA .h , la durée de v ie du nœud est imée sur la base de ces ch i f fres est donc légèrement supér ieure à 3 ans . B ien que ce résu ltat so it surest imé , car obtenu en nég l igeant l ’autodécharge de la batter ie et en cons idérant que la tens ion reste su f f isante pour a l imen ter le nœud jusqu ’à la décharge tota le , on comprend que des app l icat ions commerc ia les pu issent au jourd ’hu i se déve lopper . En e f fet une autonom ie de 3 ans peut su f f ire dans le cadre d ’un dép lo iement ponctue l du réseau de capteur . Cependant , pour les app l icat ions dont la durée d ’exp lo ita t ion dépasse la d iza ine d ’année (hab itat inte l l igent , contrô le de santé de structure surve i l lance des réseaux de transpor t et de d istr ibut ion , etc . . ) , le réseau do it être « dép loyé et oub l ié » . En e f fet i l n ’est pas économ iquement poss ib le d ’assurer une ma intenance régu l ière pour changer les ba tter ies sur un réseau de grande envergure , en fou i et phys iquement inaccess ib le .

Dans ce cas , seu le une product ion loca le d ’énerg ie é lectr ique au n iveau du nœud permet au jourd ’hu i théor iquement d ’a l longer à l ’ in f in i la durée de fonct ionnement du réseau . On par le a lors de récupérat ion d ’énerg ie amb iante .

3 Récupérat ion et stockage d ’énerg ie amb iante - Vers l ’autonom ie énergét ique des nœuds capteurs

Dans cette part ie , nous dresserons un état de l ’art des so lut ions de récupérat ion d ’énerg ie ambiante env isagées pour résoudre le prob lème de l ’autonom ie des WSN pour les app l icat ions très longue durée et nœud inaccess ib le . L ’ob ject i f commun de tous les travaux présentés est d ’assurer une product ion d ’énerg ie loca lement au n iveau du nœud capteur . Nous montrerons auss i l ’ impor tance du stockage de l ’énerg ie é lectr ique a ins i produ ite avant de passer en revue les so lut ions exp lo itab les dans le cadre des WSN .

3 .1 Les systèmes de récupérat ion d ’énerg ie

Le concept de récupérat ion d ’énerg ie amb iante se base sur la transduct ion de d iverses grandeurs

phys iques dans le doma ine é lectr ique . De man ière c lass ique ces e f fets b ien connus (p iézoé lectr ic ité ,

e f fet Seebeck , e f fet photovo l ta ïque , induct ion é lectromagnét ique… ) son t ut i l isés dans les capteurs

pour obten ir un s igna l é lectr ique image de la grandeur observée . Ic i , ce n ’est p lus la va leur abso lue

du s igna l , ma is la pu issance é lectr ique a ins i générée qu i importe . L ’ idée n ’est pas nouve l le . En e f fet

dé jà dans les années 80 -90 un grand nombre de pet its d ispos it i fs é lectron iques (montres ,

ca lcu latr ices… ) fonct ionna ient dé jà sur ce pr inc ipe en s ’a l imentant grâce à l ’énerg ie fourn ie par une

pet ite ce l lu le photovo lta ïque bas coût en s i l ic ium amorphe . Ma is depu is le débu t des années 2000 , et

para l lè lement au déve loppemen t de la thémat ique des WSN , une communauté sc ient i f ique s ’est

fédérée autour du thème de la récupérat ion d ’énerg ie amb iante (« energy harvest ing » ) . Les pr inc ipaux ob ject i fs poursu iv is sont : l ’augmentat ion des rendements des générateurs , et la m in iatur isat ion des d ispos i t i fs .

F igure I-3-1 : Les techno log ies de récupérat ion d’énerg ie d’après [89 ]

Au f ina l les d ispos it i fs de récupérat ion d ’énerg ie amb iante peuvent être c lassés en quatre grandes catégor ies en fonct ion de la source d ’énerg ie qu ’ i ls exp lo itent :

− Le rayonnement so la ire ;

− L ’énerg ie mécan ique et v ibrato ire ;

− Les grad ien ts therm iques ;

− Les ém iss ions é lectromagnét iques rad io fréquences .

Pour chacun de ces doma ines , nous a l lons e f fectuer un état de l ’ar t des d ispos it i fs et techno log ies m is en œuvre . De p lus , et b ien que la pu issance récupérab le so it grandement dépendante des cond it ions d ’ut i l isat ion , nous essa ierons de donner , à chaque fo is , un ordre de grandeur ou une est imat ion de la pu issance pouvant être a ins i récupérée dans le cadre d ’app l icat ion de type WSN . 3 .1 .1 So la ire photovo lta ïque

Le pr inc ipe de base de fonct ionnement des ce l lu les photovo lta ïques est connu depu is le X IXème s ièc le . Ces d ispos i t i fs convert issent l ’énerg ie des rayonnements lum ineux en énerg ie é lectr ique grâce à l 'e f fet photoé lectr ique , découvert en 1839 par Edmond Becquere l , m is en év idence dans les sem i - conducteurs en 1875 par Werner Von S iemens , et f ina lemen t forma l isé par A lbert E inste in en 1922 . C ’est l ’ industr ie spat ia le qu i , dès 1954 , fera déco l ler l ’exp lo itat ion des ce l lu les photovo lta ïques pour la product ion d ’énerg ie é lectr ique à bord des sate l l ites . Au jourd ’hu i , avec les prob lémat iques de

TECHNOLOG IES RÉCUPÉRAT DE ION

D ’ÉNERG IE

R ÉACT ION É LECTROCH IM IQUE

G ÉNÉRATEUR T HERMOÉLECTR IQUE

C ELLULE P HOTOVOLTA ÏQUE

A NTENNE / R ECTENA

B OB INED ’ INDUCT ION G ÉNÉRATEUR

É LECTROMAGNÉT IQUE G ÉNÉRATEUR

É LECTROSTAT IQUE G ÉNÉRATEUR

P IÉZOÉLECTR IQUE G ÉNÉRATR ICE AC

( TRANSLAT ION )

G ÉNÉRATR ICE AC ( ROTAT ION )

B io -ch im ie Grad ient

the rm ique Pyrotechn ie Combus t ion

Lum ière art i f ic ie l le

Rayonnement so la ire

Rayonnement M icro -onde

Rayonnement RF amb iant

T rans fert de pu issance sans f i l

(coup lage EM ) Champs

magné t iques V ibra t ions mécan iques

Press ion Vagues , hou le

e t marrées compr Gaz imés

Vent Hydro

19 R ÉCUPÉRAT ION ET STOCKAGE D ’ ÉNERG IE AMB IANTE - V ERS L ’ AUTONOM IE ÉNERGÉT IQUE DES NŒUDS CAPTEURS

déve loppement durab le , le photovo lta ïque s ’est démocrat isé et le marché de l ’énerg ie so la ire cro ît de 30% par an depu is p lus de 10 ans .

F igure I-3-2 : Évo lut ion de l’eff icac ité norma l isée des d ifférentes techno log ies photovo lta ïques depu is 1975 D ’un po int de vue techno log ique , les ce l lu les ut i l isées pour la récupéra t ion d ’énerg ie sont les mêmes que ce l les ut i l isées dans les centra les photovo lta ïques . Seu l le nombre de ce l lu les , leur d imens ion et leur coût vont d i f férer fondamenta lement . I l est courant de présenter l ’évo lut ion des ce l lu les photovo lta ïques en les groupant se lon 3 générat ions :

− Les ce l lu les de prem ière générat ion sont des jonct ions PN à base de s i l ic ium cr ista l l in (mono ou po ly ) ;

− Les ce l lu les de deux ième générat ion sont des ce l lu les en couches m inces . L ’ob ject i f pr inc ipa l étant de d im inuer la quan t ité de ma tér iau act i f a f in de d im inuer le coût . On d ist ingue les techno log ies à base de s i l ic ium amorphe (a -S i ) , de d i -Sé lén ium de Cu ivre Ind ium ou Cadm ium Ga l l ium (C IS , CGS , C IGS et C IGSS ) , et de Te l lurure de Cadm ium (CdTe ) . Les rendements son t p lus fa ib les ma is les ce l lu les sont mo ins chères et des d ispos it i fs sur substrat soup le ex istent ;

− En f in la tro is ième générat ion regroupe les ce l lu les d ites organ iques et les ce l lu les à très hau t

rendement ( I I I -V , mu lt i - jonct ions et concentrat ion ) . Ces techno log ies sont encore

généra lement au stade de la R&D ma is cer ta ines ce l lu les à très haut rendemen t sont

au jourd ’hu i en product ion pour l ’ industr ie spat ia le et pour le so la ire photovo lta ïque

concentré .