Couverture ElectroniqueS n°127

Les balises Bluetooth Low Energy doivent être alimentées par une source d'énergie leur permettant de fonctionner en continu. L'adoption d'un principe de récupération d'énergie se révèle alors un choix pertinent pour éviter les inconvénients, en termes de durée de fonctionnement et de maintenance, liés à l'usage de piles. L es appareils comme les smart-phones sont devenus nos fournisseurs d'informations, intervenant directement et en temps réel sur notre vie à propos de notre santé, notre environnement et même nos achats. Cette information peut être «extraite», c'est-à-dire obtenue en se connectant à un autre appareil ou en allant la chercher sur le Web. Ce qui sous-entend l'initialisation d'une action par l'utilisateur souhaitant disposer de ces données. Une alternative consiste à faire appel à un système capable de «pousser» (push) des messages vers les utilisateurs en temps réel. Comme les smartphones sont l'un des meilleurs vecteurs pour adresser des informations aux utilisateurs, c'est à eux qu'un tel système transmettra les données. C'est ici que les balises entrent en jeu. Une balise diffuse des messages à destination des appareils situés dans son voisinage. Les balises autorisent des transferts de données vers l'appareil d'un utilisateur sans son intervention. Les smartphones offrent différentes possibilités pour supporter ce mode de fonctionnement. Le déploiement à grande échelle des balises repose sur plusieurs nécessités, notamment le support par une majorité d'appareils, l'interopérabilité, le faible coût d'installation et la faible consommation en fonctionnement. Afin de remplir ces objectifs, Bluetooth Low Energy (BLE) est devenu le choix préférentiel pour ce mode de communication. SACHIN GUPTA (CYPRESS) Diplômé en électronique et communications de l'Université Guru Gobind Singh Indraprastha de Delhi (Inde), Sachin Gupta est ingénieur marketing produit chez Cypress Semiconductor. BLE est largement utilisé pour la communication sans fil basse consommation dans le cadre d'applications nécessitant le transfert de données dans un rayon relativement restreint. La figure 1 représente le fonctionnement typique d'une application d'acquisition des données issues d'un capteur, puis transmises à un smartphone. Les balises doivent être alimentées par une source leur permettant de fonctionner en continu et qui ne remette pas en cause la taille de l'appareil où elles sont logées. Celui-ci étant souvent déporté, les balises ne peuvent que rarement être alimentées par une source filaire. L'utilisation de batteries ou de piles pose le problème de la durée de fonctionnement, du rechargement éventuel ou de l'impact environnemental dû à leur élimination. Récupérer l'énergie ambiante Si l'on souhaite que toute opération de maintenance des balises soit exclue, il faut utiliser l'énergie environnante comme la lumière, le mouvement, la pression ou la chaleur, autrement dit pratiquer la récupération d'énergie. Cette solution permet une approche de type « installé/oublié », où les balises resteront alimentées durant toute la vie de l'appareil. La récupération d'énergie consiste à collecter de minuscules quantités d'énergie disponibles dans l'environnement et à les accumuler. L'énergie stockée alimente l'appareil, permettant l'acquisition des données du capteur et leur transmission par BLE. La figure 2 représente le bloc-diagramme d'un capteur pour réseau sans fil (WSN/Wireless Sensor Node) à récupération d'énergie. Le système de récupération d'énergie (EHS) est constitué d'un composant de récupération d'énergie (EHD), d'un circuit de gestion de puissance récupérateur d'énergie (PMIC-EH) et d'un composant de stockage de l'énergie. Le système de récupération d'énergie EHS ( Energy Harvesting System ) est constitué d'un composant de récupération d'énergie EHD ( Energy Harvesting Device ), d'un circuit de gestion d'alimentation récupérateur d'énergie (PMIC-EH) et d'un composant de stockage d'énergie. Le PMIC-EH charge petit à petit le composant de stockage (typiquement un condensateur) grâce à l'énergie captée par l'EHD. Ce dernier peut être une cellule solaire, un capteur de vibration ou un dispositif piézo-électrique. L'EHS utilise l'énergie stockée pour alimenter les autres circuits embarqués. La puissance en sortie de l'EHS varie selon l'état du terminal WSN. S'il est actif, l'énergie est consommée et la tension EH fournie par l'EHS baisse progressivement. S'il est au repos, le composant de stockage se charge et la tension EH remonte. La figure 3 illustre la variation de la tension fournie en fonction de l'activité de l'appareil pendant une période donnée. La puissance en sortie de l'EHS varie selon l'état du terminal WSN. S'il est actif, l'énergie est consommée et la tension EH fournie par l'EHS baisse progressivement. S'il est au repos, le composant de stockage se charge et la tension EH remonte. Pour les appareils alimentés par un EHS, l'énergie consommée pendant une période d'activité ne doit pas excéder l'énergie disponible. La figure 4 montre un système à alimentation EHS où la consommation d'énergie pendant l'état actif est supérieure à la quantité d'énergie que l'EHS est susceptible de fournir. La tension de sortie de l'EHS baisse progressivement, jusqu'à éventuellement entraîner une coupure de la sortie. De tels systèmes comportent des sous-ensembles potentiellement gourmands en énergie, qui doivent être optimisés pour garantir qu'ils ne mettront pas l'alimentation à genoux. Les paramètres clés à prendre en considération sont alors les suivants: La fréquence d'horloge du CPU La fréquence d'horloge système détermine la vitesse à laquelle une tâche particulière est traitée et quelle quantité d'énergie sera consommée pendant ce temps. Une horloge plus véloce signifie un traitement plus rapide, mais aussi une plus grande consommation. Par ailleurs, certains composants ont des contraintes de fréquence d'horloge minimale et maximale. Pour les conceptions à base d'EHS, le choix de la fréquence d'horloge repose sur deux facteurs : la consommation moyenne de courant d'une part, la consommation de courant en pointe d'autre part. Le courant moyen est la moyenne dans le temps du courant demandé à l'état actif. Le courant de pointe est le courant instantané maximum à l'état actif, souvent bien plus élevé que le courant moyen. Il peut se faire que la valeur du courant moyen soit dans les capacités de l'EHS, mais que le courant de pointe cause l'épuisement brutal de l'énergie de l'EHS, provoquant la chute de la tension en dessous du seuil de coupure. La figure 5 montre la puissance consommée dans le temps par une tâche particulière à deux fréquences différentes d'horloge : 48 MHz puis 12 MHz. À 48 MHz, le traitement de la tâche prend environ 300 µs et consomme approximativement 10mA en pointe pendant cette période. À 12MHz, le traitement dure 1,1ms, mais la consommation est limitée à 4 mA en pointe. Le courant moyen consommé pendant le traitement est plus grand à 12MHz, mais la consommation de pointe est inférieure. En fonction de la capacité de l'EHS, on décidera d'exécuter le programme en choisissant la fréquence élevée ou la fréquence basse. Une autre possibilité consiste à effectuer une alternance entre les deux fréquences, en commutant les horloges selon les traitements à exécuter. L'initialisation à basse consommation Lorsqu'il est mis sous tension un système embarqué déroule une procédure d'initia-lisation avant d'exécuter le code de l'appli-cation. L'exécution de la procédure de démarrage consomme de l'énergie. La quantité d'énergie consommée dépend des composants utilisés, de la fréquence d'horloge système, de la taille de la mémoire et du temps nécessaire àl'initia-lisation des horloges externes. Il doit être tenu compte de deux considérations lors de l'écriture du code de démarrage. En premier lieu, seules les zones mémoire et les registres utilisés seront initialisés. Les autres seront laissées à leurs valeurs par défaut. En second lieu, alors que la plupart des systèmes sans fil ont besoin d'hor-loges externes de grande précision, les oscillateurs externes affichent un temps d'établissement important après le démarrage. Plutôt que d'attendre en mode actif que les horloges soient stabilisées, il s'avère alors préférable de mettre le système en veille et de le réveiller seulement lorsque les horloges sont établies. Le démarrage système à basse consommation Après la phase d'initialisation, le code applicatif est lancé. Il est généralement nécessaire de démarrer successivement les périphériques du système. Ces périphériques peuvent être internes au composant, comme un convertisseur A/N, ou externes, comme un capteur. La durée de démarrage peut ne pas être longue pour chaque périphérique pris individuellement, mais globalement suffisante pour assécher l'énergie de l'EHS. Temps Si la consommation d'énergie pendant l'état actif est supérieure à la quantité que l'EHS peut fournir, la tension de sortie de l'EHS baisse progressivement. Les différentes tâches de l'application réclament chacune une bande passante CPU. Ces tâches consisteront à configurer un périphérique, à recevoir des données émanant de capteurs, à exécuter des calculs, à gérer des évènements et des interruptions. Assurez-vous que l'énergie demandée par ces divers traitements n'excède pas la capacité de l'EHS. Si c'est le cas, scindez lesdits traitements en sous-segments et exécutez-les par étapes. Entre chaque étape, mettez le système en mode basse consommation avec une source de réveil, comme une interruption de compteur ou un chien de garde. Comme le système restera dans ce mode pendant une grande partie du temps, il faut veiller à minimiser les besoins en courant pendant ces périodes de veille. La transmission sans fil Les données collectées sont ensuite transmises par BLE, soit via une connexion directe soit par un mode de diffusion. Néanmoins, les balises à récupération d'énergie ne supportent que la diffusion d'annonces (BLE Advertising), le mode connexion consommant une quantité importante d'énergie pour l'établissement de la communication. Assurez-vous que l'activité BLE soit une tâche indépendante, groupée avec d'autres processus unique-ment si la sortie EH est apte à fournir suf-fisamment de courant de pointe. Les circuits de gestion d'alimentation (PMIC) À 48MHz, le traitement de la tâche prend quelque 300 µs et consomme environ 10mA en pointe pendant cette période. À 12MHz, le traitement dure 1,1ms, mais la consommation est limitée à 4mA en pointe. Les composants de gestion d'alimentation (PMIC) pour la récupération d'énergie de Cypress fournissent une technologie sans pile à la disposition des capteurs et des réseaux sans fil. Ils peuvent être utilisés comme source d'alimentation unique ou associés à des batteries, comme les batteries Li-ion, pour prolonger la durée de fonctionnement d'un appareil. Un PMIC à récupération d'énergie est à même de démarrer à partir d'une faible tension et à s'adapter aux besoins de l'application. À l'instar du MB39C831, certains produits disposent d'une fonction MPPT (Maximum Power Point Tracking), permettant au convertisseur interne DC/DC de commander le chargement de la sortie en fonction de la puissance d'entrée et d'optimiser la puissance de sortie. Un PMIC comme le MB39C811 dispose quant à lui de deux entrées de récupération. Auquel cas, la collecte d'énergie peut alors s'effectuer à partir de deux sources différentes. n

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