Objets communicants autonomes en énergie : Intégration d’antenne miniature & cellule photovoltaïque

Mots clefs : Objets connectés, Autonomie d’énergie, Transmission des données, Cellule photovoltaïque, Antenne patch.

Le marché des objets connectés devient de plus en plus gros au fur et à mesure des années. Toutefois, étant donné le contexte environnemental actuel, il est nécessaire de trouver des solutions plus économes en énergie pour faire fonctionner ces appareils. Une grande partie des nouvelles générations d’objets connectés ne pourra se développer que s’il est possible de les rendre entièrement autonomes sur le plan énergétique. C’est pourquoi de nombreuses entreprises commencent à proposer des objets connectés innovants qui utilisent l’énergie solaire. Pour cela, ils sont pour la plupart équipés de panneaux photovoltaïques, permettant de capter les rayons du soleil et les transformer en électricité. Dans ce cas, la durée de vie de l’objet connecté peut-être prolongée.

Le développement des capteurs communicants répond à un besoin grandissant de mesurer et de contrôler l’évolution des paramètres de l’environnement tels que le comportement des constructions civiles ou militaires. Parmi les nombreux domaines d’application, on cite le domaine militaire qui en premier lieu s’est intéressé aux capteurs sans fil dans le but d’étudier les déplacements des ennemis, ou bien d’analyser un champ de bataille avant de s’y engager.

La technologie des capteurs communicants fait l’objet de recherches dans le domaine environnemental pour détecter et prévenir des catastrophes naturelles tels que les incendies, ou encore dans le milieu agricole afin d’optimiser la gestion des sols. Les capteurs sans fil sont également utilisés dans la surveillance des environnements hostiles ou d’ouvrages d’art tels que les ponts, les barrages et les tunnels. Dans le domaine médical, on note l’implantation de capteurs autonomes dans ou sur le corps humain, permettant de récolter et d’enregistrer des données physiologiques et de les transmettre à un centre médical afin de surveiller à distance l’état de santé des patients.

Un capteur communicant est composé de quatre unités principales : l’unité de mesure ou d’acquisition de données (le capteur), l’unité de traitement d’informations (le processeur), l’unité de transmission (l’émetteur-récepteur) et l’unité d’alimentation ou la source d’énergie.

Sur le marché, la majorité des capteurs communicants sont alimentés par des piles ou des batteries dont la durée de vie est limitée à un certain nombre de cycles. Lorsqu’ils sont dispersés dans des localisations parfois inaccessibles et dans des environnements difficiles, la maintenance de ces capteurs est difficile. Ainsi la clé du développement à grande échelle de cette technologie réside dans l’augmentation de leur autonomie.

Ces type d’appareils sont encore très rares de nos jours, mais nous sélectionnons quelques-uns pour vous donner une idée de ceux dont ils sont capables. Le capteur de température et d’humidité sont l’un de nos objets communicants réalisé par notre équipe R&D.

Des capteurs peuvent vous permettre de réguler au mieux votre chauffage et d’améliorer la qualité d’air de votre intérieur. Il mesure la température et l’humidité d’une pièce en temps réel, vous permettant ainsi d’augmenter ou de baisser le chauffage automatiquement grâce au scénario que vous aurez créé dans votre centrale domotique. L’humidité, la température et votre facture d’énergie sont désormais maîtrisées. Ainsi que pour des applications en agriculture pour la mesure de température et d’humidité pour des plantes par exemple. Sans pile et sans fil, ce petit capteur fonctionne de manière autonome grâce à une cellule photovoltaïque, ce qui lui permet de se recharger grâce à la lumière.

D’autres objets communicants en cours de réalisation.

–       La station météo connectée.  
–       Les animaux connectés.
–       Le domaine médical : Patients connectés.

On constate aujourd’hui que le marché des objets connectés prend une place de plus en plus grande et que les énergies renouvelables ne sont pas en reste ! L’énergie solaire est de plus en plus souvent utilisée pour faire fonctionner ces objets intelligents que ce soit pour les particuliers ou les collectivités.

Pour cela, dans le cadre de nos travaux de recherche et développement au sein d’entreprise EITA Consulting nous proposons une solution originale : coupler les étiquettes RFID, module wifi, module Bluetooth et module xBee à la base des futurs capteurs de l’IoT à des cellules photovoltaïques. Nous sommes amenés en premier lieu à déterminer la puissance produite en temps réel d’une cellule photovoltaïque pour l’alimentation de nos objets communicants. A la suite, nous proposons un nouveau système hybride d’antenne cellule solaire pour la récupération d’énergie et la transmission radiofréquence. Il s’agit d’une intégration d’une antenne miniature et d’une cellule photovoltaïque de petite taille. 

La figure suivante représente un prototype d’objets connectés autonomes en énergie à base d’une intégration d’une antenne miniature (fonctionnant à la fréquence 2.4 GHz) avec une cellule photovoltaïque réalisé par notre équipe R&D.