Les émetteurs-récepteurs à basse consommation, fins prêts pour les

Application  Communication sans fil
Les émetteurs-récepteurs à
basse consommation, fins prêts
pour les réseaux de capteurs
Les technologies des émetteurs-récepteurs à ultrabasse consommation permettent
aujourd’hui d’alimenter des capteurs sans fil par microbatteries dans les applications
médicales et industrielles. Le choix de ces émetteurs-récepteurs est critique
pour optimiser l’efficacité énergétique. Grâce à eux, les réseaux de capteurs
industriels peuvent effectuer des mesures périodiques sans avoir à changer de batterie
et les capteurs sans fil pour le médical peuvent surveiller en continu des signaux
biologiques sur de longues périodes.
AUTEUR
Reghu Rajan,
responsable
marketing
produits
communication
et médical
(Microsemi
Corporation).
A
vec le succès de la mise
en œuvre sur le terrain de
réseaux de capteurs sans
fil de courte portée, apparaît un besoin croissant pour les alimenter par de petites batteries de
faible coût ou par le biais de technologies de récupération d’énergie
ambiante. La domotique, l’automatisation de bâtiments et l’automatisation industrielle comptent parmi les
grands domaines d’application de ces
réseaux. Avec des systèmes qui récupèrent l’énergie ambiante pour jauger
et surveiller un environnement
sévère, là où les batteries sont difficiles d’accès et coûteuses à remplacer. Un autre grand marché est celui
des capteurs médicaux portés par les
patients qui fonctionnent avec de
très petites batteries, tout en assurant
un suivi continu de paramètres physiques ou physiologiques (tension,
taux de glucose…).
Dans les deux cas de figure, l’efficacité énergétique est critique. Mais
aujourd’hui, il existe des émetteurs-récepteurs radio faible portée à
ultrabasse consommation qui
peuvent fonctionner avec des
« nœuds capteurs » alimentés par
récupération d’énergie pour créer
une variété de réseaux sans fil
capables de transmettre des mesures
cycliques sans qu'il soit nécessaire
de changer de batterie. Ces mêmes
transceivers étendent notablement la
durée de vie des batteries de très
petite puissance dans des applications de surveillance médicale qui
génèrent un flot continu de données
24 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
et peuvent fonctionner jusqu’à deux
semaines avec la même batterie.
Mais, quelle que soit l’application,
c’est la capacité des émetteurs-récepteurs à optimiser l’efficacité énergétique du réseau qui est l’aspect
fondamental à traiter.
Réseaux sans fil
de faible portée :
des différences entre
l’industriel et le médical
Les réseaux de capteurs sans fil de
faible portée pour des ateliers industriels ou des bâtiments commerciaux
sont conçus pour améliorer l’efficacité de la production, la sûreté de
fonctionnement, la fiabilité, l’automatisation et la sécurité. Leurs applications vont du contrôle d’accès à la
surveillance d’ambiance ou d’environnement, en passant par les cartes
à puce multifonctions pour capteurs
autonomes, la sécurité et l’automatisation des bâtiments, la surveillance
du niveau des réservoirs et de la pression des pneus, et le contrôle de la
chaîne du froid dans l’industrie pharmaceutique. Jusqu’à récemment,
quasiment tous ces réseaux de capteurs industriels utilisaient des systèmes de câblage coûteux pour les
données et pour l’alimentation. Le
passage à une architecture sans fil
élimine certes le câblage, mais ne
résout pas le problème de son alimentation. Les batteries classiques à
cellules (type AAA) offrent bien une
solution, mais le coût de leur remplacement peut s’avérer prohibitif,
en particulier lorsque les capteurs
sont installés derrière des parois ou
dans des endroits difficiles d’accès.
Les réseaux personnels sans fil
(WPAN pour Wireless Personal Area
Network) et les réseaux corporels
sans fil (WBAN pour Wireless Body
Area Network) ont des problèmes
similaires vis-à-vis des opérations de
● A.-
On voit ici quelques exemples
d’utilisation de liaisons radio sans fil
dans diverses applications médicales,
à l’hôpital et à domicile.
Communication sans fil  Application
1 BLOC-DIAGRAMME D'UN CAPTEUR SANS FIL ALIMENTÉ PAR UN SYSTÈME DE RÉCUPÉRATION D'ÉNERGIE
Nœud de gestion
de la consommation
Gestion de
l’énergie thermique
et batterie
Générateur
d’énergie thermique
Capteur
de température
remplacement de batteries. Ces deux
types de réseaux sont au cœur des
appareils médicaux à porter sur soi,
pour la surveillance médicale sur site
ou à distance, la thérapie en mobilité
et la gestion de maladies comme
l’apnée du sommeil. Ils s’utilisent
dans les hôpitaux et cliniques, dans
les systèmes de surveillance clinique
à domicile et ambulatoire, ou dans
les appareils de santé et de fitness
grand public.
Les WPAN ont une portée d’environ
10 m et utilisent des protocoles
comme Bluetooth et ZigBee. Les
WBAN ont une portée réduite d’environ 1 m et sont utilisés avec des
capteurs placés sur le corps. Ces
réseaux de capteurs ont étendu leurs
applications, depuis les mesures
cycliques jusqu’aux mesures continues exigeant des liaisons de plus
haut débit (photo A).
Dans ces deux domaines, industriel
et médical, l’objectif est de trouver
une alternative aux batteries traditionnelles. L’industrie semble avoir
adopté la voie de la récupération
d’énergie ambiante mais le domaine
médical, qui exige des flux continus
de données, se tourne plutôt vers les
cellules « bouton » compactes et peu
coûteuses et aussi vers les petites batteries lithium-ion. Chacune de ces
sources d’alimentation peut satisfaire
aux besoins de ces applications, du
moment que l’efficacité énergétique
est optimale.
Les contraintes d’efficacité énergétique des capteurs sans fil alimentés
par récupération d’énergie sont plus
pointues que celles des capteurs sans
fil traditionnels (figure 1). Le micro-
SPI
GPIO
TWI
Analog
Microcontrôleur
+ MAC
+ couche réseau
+ application
contrôleur et la puce radio doivent
passer en mode basse consommation
dès que possible pour augmenter la
durée de vie de la réserve d’énergie.
L’importance de la sollicitation de la
source, à l’état stable ou à l’état actif,
dépendra de paramètres tels que le
courant de veille de la puce radio et
du microcontrôleur, l’alimentation de
l’émetteur-récepteur et son type de
cycle de service, et la complexité et
la durée du traitement de signal. Au
sein d’un nœud capteur typique, le
capteur détecte et quantifie divers
paramètres environnementaux requis
par l’application ; le transducteur
d’énergie convertit une forme quelconque d’énergie ambiante en électricité ; le module de gestion d’alimentation collecte, stocke et délivre
l’énergie électrique nécessaire au
nœud capteur ; et finalement, le
2 BLOC-DIAGRAMME D’UN CAPTEUR
À RÉCUPÉRATION D’ÉNERGIE
On voit ici les principaux composants de base
d’un nœud capteur typique alimenté par récupération
d’énergie
Stockage
d’énergie
Récepteur
de réveil
Gestion
d’alimentation
Radio
sub-GHZ
ultra-basse
consommation
MCU
8 ou 16 bits
Convertisseurs
élévateurs
Capteur
applicatif
Transducteur
d’énergie récupérée
Thermique, solaire,
lumière ambiante,
RF, induction,
piézo, etc.
ZL70250
ISM
900 MHz
TxRx
Adaptateur
d’antenne
24,576 MHz
microcontrôleur se charge du traitement du signal émis par le capteur et
des communications radio, avec ou
sans fonction de récepteur de réveil
du module RF (figure 2).
La sortie du capteur est donc connectée au microcontrôleur qui traite le
signal issu de la mesure du paramètre
requis (température, pression, accélération, etc.). Ce processeur fournit
l’information à la puce radio, et
contrôle aussi l’activation de cette dernière, soit selon une période donnée,
soit en réponse à un événement
généré par exemple par un récepteur
de signal de réveil du transceiver.
Un moyen de réduire la consommation d’énergie est alors de jouer sur le
firmware du microcontrôleur à l’aide
d’algorithmes qui gèrent les séquences
de mise sous et hors tension, les
conversions analogique-numérique et
les interruptions sur événements. Mais
cela ne suffit pas. De plus en plus, les
réseaux de capteurs sans fil s’appuient
sur des technologies radio à ultrabasse
consommation pour optimiser l’efficacité énergétique, que ce soit avec
des capteurs industriels à récupération
d’énergie ou des capteurs médicaux à
microbatteries.
Les technologies radio
à ultrabasse consommation
pour optimiser l’efficacité
énergétique
Pour sélectionner un émetteur-récepteur radio dans le but d’optimiser
l’efficacité énergétique d’un réseau
de capteurs industriels ou médicaux
à courte portée, de nombreux paramètres sont à évaluer. La tension
d’alimentation est notamment impor-
L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013 /
25
Application  Communication sans fil
tante. En effet, la plupart des capteurs
fonctionnent avec une seule cellule
de batterie, aussi est-il opportun de
choisir une alimentation de moins de
2 V. Il faut donc que l’émetteur-récepteur radio courte portée soit conçu
pour fonctionner sous une basse tension d’alimentation (idéalement,
aussi basse que 1,1 V) afin d’optimiser
la flexibilité et réduire les contraintes
de gestion d’alimentation. Il faut
savoir que les puces radio qui fonctionnent sous 2,5 V brûlent deux fois
plus d’énergie que celles alimentées
sous 1,25 V, pour la même consommation de courant. Et comme la puissance de sortie excède rarement
0 dBm dans les applications à courte
portée, il est possible et bénéfique
d’alimenter la radio sous moins
de 2 V. Les autres points à
vérifier, concernant l’alimentation de l’émetteur-récepteur, sont la performance obtenue en
transmission comme en
réception, et la courbe de
courant qui doit s’adapter à
l’impédance de l’alimentation
sans valeur crête excessive.
Le courant de crête est le second
point important à regarder. En
effet, la grande majorité des réseaux
de capteurs sans fil fonctionnent,
d’une manière ou d’une autre, par
cycles de service (« duty cycling »), ce
qui économise de l’énergie et limite
l’occupation de la bande radio. D’un
autre côté, le duty cycling génère des
crêtes de consommation de courant
dans le « nœud capteur ». Un émetteur-récepteur radio à faible courant
de crête aidera à réduire les
contraintes sur l’alimentation du capteur sans fil, ce qui est particulièrement important pour les capteurs à
récupération d’énergie. Car il arrive
souvent que l’impédance de sortie
des transducteurs de récupération
d’énergie soit supérieure à celle des
batteries. La couche de gestion de
micropuissance entre le transducteur
et le capteur convertit alors les paramètres caractérisant l’alimentation,
dont l’impédance de la source.
C’est pourquoi une faible crête de
consommation au niveau de l’émetteur-récepteur radio aidera à réduire
les contraintes de l’alimentation du
capteur.
Le troisième paramètre à prendre en
compte est la consommation de
l’amplificateur de puissance de
26 / L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013
l’émetteur-récepteur radio, qui peut
être considérable. De nombreuses
radios 802.15.4 ou Bluetooth
consomment en effet de 25 à 40 mW
pour une portée de 25 m sans obstacle, et gaspillent une bonne partie de
cette énergie. Les principaux facteurs
influant sur la consommation de
l’amplificateur de puissance sont son
impédance de sortie, sa fréquence
de porteuse et ses caractéristiques de
modulation. Ensemble, ces facteurs
combinés peuvent faire varier sa
consommation de deux ordres de
grandeur pour une portée identique.
La sensibilité du récepteur est ici par-
B.- L’émetteur-récepteur ZL70250 de Microsemi
est encapsulé dans un boîtier CSP (Chip-Scale
Package) de 2 x 3 mm.
●
ticulièrement importante, car elle
détermine la puissance que l’amplificateur doit émettre pour une portée
donnée. De leur côté, la sensibilité
des puces radios peut évoluer de
- 85 dBm à - 95 dBm, ce qui fait varier
la consommation de l’amplificateur
de puissance d’un facteur 10.
L’impédance de sortie de cet élément
affecte aussi sa consommation. Cette
impédance est liée à la fréquence de
porteuse, à l’architecture du circuit
et à d’autres paramètres, tandis que
l’impédance de l’antenne dépend de
sa taille, de sa forme et de la fréquence de porteuse. En général, un
réseau d’adaptation assure l’interface
entre l’amplificateur de puissance (et
le récepteur) et l’antenne. La tension
d’alimentation, l’architecture de
l’amplificateur de puissance, la fréquence de porteuse et la conception
de l’antenne impactent la conception du réseau d’adaptation et les
pertes d’insertion associées. Ce qui
peut représenter plusieurs dB.
Dans les bandes ISM,
ne pas sous-estimer
le sub-GHz
Deux sous-bandes disponibles dans
les gammes de fréquence industrielle,
scientifique et médicale (ISM) sont la
bande 2,4 GHz et la bande située
sous le gigahertz (sub-GHz). Les protocoles 2,4 GHz les plus répandus en
contrôle industriel, en automatisation
de processus et dans les services
publics sont Wi-Fi, Bluetooth et ZigBee. Les concepteurs développant
des solutions pour applications
ultrabasse consommation devraient
envisager d’utiliser la bande sub-GHz
avec le protocole le mieux adapté à
leur besoin. Les systèmes sub-GHz
offrent en effet plusieurs avantages
pour les applications sans fil industrielles et médicales de bas débit,
dont une consommation réduite et
une plus longue portée pour une
puissance donnée.
L’équation de Friis permet ainsi de
quantifier la meilleure adéquation
des paramètres de propagation d’une
porteuse sub-GHz. L’affaiblissement
de propagation à 2,4 GHz surpasse
de 8,5 dB l’affaiblissement à
900 MHz. Ce qui se traduit en une
portée 2,67 fois plus grande pour
une radio de 900 MHz, puisque la
portée double approximativement à
chaque montée en puissance de
6 dB. Une solution à 2,4 GHz
demande plus de 8,5 dB de puissance en plus pour atteindre la portée d’une radio de 900 MHz. Un
autre avantage des porteuses situées
sous le GHz est leur plus grande
immunité aux obstacles physiques
par rapport aux porteuses à 2,4 GHz.
Le risque d’interférence est également réduit puisque les bandes subGHz sont moins fréquentées que les
bandes 2,4 GHz, qui sont utilisées
par les signaux Wi-Fi, Bluetooth et
ZigBee des concentrateurs sans fil,
Communication sans fil  Application
Jauge de pression,
température, etc.
Circuit ZL70250
Contrôleur
Osc. cristal
Générateur
de polarisation et générateur
d’horloge
Rbias
Data
CTRL
Data
CTRL
Application
CAN
Couche
liaison
CNA
Contrôle
GPIO
Codec
Contrôleur USB
EXT CLK
Flash/
Eeprom
24,576 MHz
ordinateurs, téléphones cellulaires et
fours micro-ondes. Les bandes ISM
sub-GHz sont surtout utilisées par
des protocoles propriétaires et standard à cycles de service peu exigeants, et elles sont ainsi moins susceptibles d’interférer entre elles. De
plus, le fait de fonctionner dans un
spectre plus calme facilite les transmissions et réduit les retransmissions,
ce qui est plus efficace et économise
les batteries.
Finalement, pour les liaisons sans fil
à cycles de service, le débit de la
transmission est l’un des paramètres
qui affecte le plus la consommation.
Le temps que passe la radio à transporter les données utiles par les airs
dépend du débit, de la surcharge de
calcul liée au protocole d’établissement et de maintien de la liaison, et
de la latence du réseau. Le débit est
particulièrement important car la
puissance moyenne consommée est
presque inversement proportionnelle
au débit ; ainsi, une radio de
100 kbit/s consommera presque la
moitié d’une radio de 50 kbit/s pour
la même charge utile, en supposant
que les deux radios aient des
consommations de courant similaires. Pour comparer des émetteurs-récepteurs RF, le paramètre
« énergie par bit » est un meilleur
indicateur d’efficacité énergétique
que la consommation de courant.
Cependant, les radios à haut débit
sont aussi celles qui présentent les
courants de crête les plus élevés, ce
qui est extrêmement indésirable pour
la plupart des petites batteries ou des
Commutateur,
moteur, valve, etc.
Audio
MAC
Données
Tx/x RF
Actuateur Capteur
3 SCHÉMA TYPIQUE D’UN CAPTEUR SANS FIL
Le convertisseur analogique-numérique (CAN) du microcontrôleur se connecte à un frontal analogique à ultrabasse consommation.
Le microcontrôleur et le composant ZL70250 forment ici une solution pour électrocardiogramme sans fil pouvant fonctionner
en continu pendant une semaine avec une cellule bouton CR, sans changement de batterie.
récupérateurs d’énergie et rajoute
des contraintes de gestion d’énergie.
De leur côté, certaines piles de protocoles génèrent plus de surcharge
que d’autres pour le transport de la
charge utile. Des standards comme
le ZigBee et le Bluetooth offrent des
couches sophistiquées de liaison et
de réseau, mais leur surcharge
génère de 50 à 75 % de la consommation de la radio. Pour les systèmes
à ultrabasse consommation, l’option
standard « taille unique » est rarement optimum. Les concepteurs
devraient choisir le protocole le
mieux adapté à leur besoin.
Enfin, la latence du réseau impacte
quant à elle la durée de transport de
la charge utile et la consommation
associée, en incluant le temps passé
par les nœuds à « écouter » (fonction
« sniffer ») la ligne. Dans les systèmes
dominés par la gestion des cycles de
service, l’énergie consacrée par le
récepteur à l’écoute représente la
majeure partie du budget. Ainsi, dans
les réseaux maillés 802.15.4, environ
9 % de l’énergie du système est
consacrée aux fonctions de réception. Dans les systèmes où la charge
utile est plus importante, le « sniffing » domine moins mais la consommation du récepteur représente
encore quelque 50 % du budget RF.
Il est donc essentiel de choisir un
récepteur présentant la consommation la plus basse possible pour obtenir une télémétrie RF à ultrabasse
consommation.
Tous les facteurs qui viennent d’être
mentionnés sont critiques pour des
applications comme les réseaux de
capteurs sans fil médicaux, où l’énergie est précieuse et où la charge utile
excède 10 bit/s. Auparavant, les capteurs portés sur soi mesuraient uniquement des paramètres variant lentement. Les nouvelles technologies
RF permettent d’observer des paramètres physiologiques tels que l’activité cardiaque, l’activité électrique
du cerveau ou l’oxygénation du sang,
ce qui demande des débits de l’ordre
de 0,5 à 5 kbit/s pour obtenir des
formes d’ondes ayant de la signification.
Une solution pour capteurs médicaux offrant ce niveau de performance est l’émetteur-récepteur
ZL70250 de Microsemi (photo B).
Encapsulé en boîtier CSP (Chip-Scale
Package) de 2 x 3 mm, il comporte les
interfaces standards pour signaux de
contrôle et données SPI et 2 fils, communs aux microcontrôleurs. Dans
l’exemple de la figure 3, le convertisseur analogique-numérique (CAN)
du microcontrôleur se connecte à un
frontal analogique à ultrabasse
consommation. Le MCU et le
ZL70250 forment une solution pour
électrocardiogramme sans fil pouvant fonctionner en continu pendant
une semaine avec une cellule bouton
CR, sans changement de batterie. Il
est possible de concevoir des solutions de même efficacité énergétique
pour des appareils tels que des accéléromètres trois axes, des oxymètres
de pouls et d’autres plates-formes
« prêtes à porter » de surveillance
médicale.
n
L’EMBARQUÉ / N°3 / 2013 /
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