Récupération d'énergie et Bluetooth® Low-Energy : concevoir une balise sans batterie

Présentation des émetteurs de données toujours actifs et sans maintenance

Les smartphones ont considérablement modifié notre quotidien. Ils constituent notre passerelle vers des informations à la demande relatives à notre santé, notre environnement et même nos achats. Malheureusement, dans la plupart des cas aujourd'hui, les utilisateurs doivent initier une action lorsqu'ils veulent des données. Cela peut s'avérer inefficace, car il est possible que les utilisateurs ne sachent pas comment rechercher les informations (par exemple, des offres sur un produit dans un magasin).

La solution consiste à avoir un système qui rend des données spécifiques à une situation disponibles sur les smartphones, l'utilisateur disposant ainsi des informations appropriées. Les données en question peuvent provenir d'un capteur ou d'un identifiant unique associé à un objet ou un emplacement. C'est là que les balises entrent en jeu.

Dans la technologie sans fil, une balise est un dispositif qui diffuse des données pouvant être reçues par d'autres dispositifs à proximité. Idéalement, les données diffusées peuvent être reçues sans intervention de l'utilisateur, le transfert se déroulant alors de manière transparente. Bluetooth® Low-Energy permet cette capacité et est donc devenu le choix évident pour les communications par balises.

Bluetooth Low-Energy (BLE) est largement utilisé pour les communications sans fil basse puissance dans des applications exigeant un transfert de données dans un rayon relativement restreint, généralement moins de 10 m. Prenons par exemple un nœud de capteurs sans fil (WSN). Des données peuvent être collectées par un nœud WSN et envoyées vers un smartphone. La Figure 1 illustre le flux typique pour ces types de nœuds de capteurs :

Figure 1 : Schéma de flux typique des dispositifs de détection BLE.

Il est indispensable d'alimenter les balises et les capteurs à partir d'une source qui leur permet de fonctionner en continu tout en conservant la taille et le format du dispositif global. L'alimentation de ces dispositifs depuis une source câblée est rarement possible puisqu'ils sont soit placés sur le corps d'une personne soit à distance. Par conséquent, un cas d'utilisation avec alimentation câblée ne présente aucun intérêt. L'adoption d'une approche à alimentation par batterie présente des problèmes comme une durée de fonctionnement limitée, la nécessité de recharger les batteries régulièrement et des impacts négatifs sur l'environnement découlant de la mise au rebut éventuelle des batteries.

Si nous envisageons vraiment des balises ne nécessitant aucune maintenance, nous devons utiliser une énergie non exploitée provenant du milieu environnant, telle que la lumière, le mouvement, la pression ou la chaleur. Une méthode à installation unique et sans maintenance pourra alors être adoptée, les balises et les capteurs restant alimentés durant toute la durée de vie du dispositif.

Récupération d'énergie

La récupération d'énergie est une méthode qui consiste à collecter une quantité infime d'énergie non exploitée provenant du milieu environnant et à la stocker. Lorsqu'une quantité d'énergie suffisante est stockée, un capteur peut effectuer des tâches comme la collecte de données puis la transmission de ces données vers BLE ou un autre dispositif.

Figure 2 : Schéma fonctionnel de dispositif WSN à récupération d'énergie.

Un système de récupération d'énergie (EHS) est un circuit qui comprend un dispositif de récupération d'énergie (EHD), un circuit intégré de gestion de l'alimentation (PMIC) pour la récupération d'énergie et un dispositif de stockage d'énergie (ESD). Le PMIC charge lentement le dispositif de stockage d'énergie (généralement un condensateur) avec l'énergie fournie par un dispositif de récupération d'énergie, tel qu'une cellule solaire, un capteur de vibrations ou un dispositif piézoélectrique. Le système de récupération d'énergie utilise ensuite cette charge stockée pour alimenter un autre dispositif embarqué. La puissance de sortie du système de récupération d'énergie varie selon l'état du capteur. En mode actif, l'énergie est consommée et la tension provenant du système de récupération d'énergie commence à diminuer. En état basse puissance, la tension provenant du système de récupération d'énergie augmente puisque la charge du dispositif de stockage d'énergie est plus rapide que sa décharge. La Figure 3 illustre un exemple de la tension de sortie d'un système de récupération d'énergie qui varie selon l'activité du dispositif embarqué sur une période donnée.

Figure 3 : Variation de sortie de récupération d'énergie selon l'activité du dispositif sur une période donnée.

Pour les dispositifs alimentés par un système de récupération d'énergie, l'énergie consommée en mode actif ne doit pas dépasser l'énergie disponible dans le système de récupération d'énergie. La Figure 4 illustre un système alimenté par un système de récupération d'énergie pour lequel la consommation d'énergie en mode actif est supérieure à la quantité d'énergie que le système de récupération d'énergie peut fournir. La tension de sortie du système de récupération d'énergie diminue lentement en raison de la consommation, jusqu'à éventuellement arrêter complètement la sortie.

Figure 4 : Arrêt du nœud WSN en raison d'une puissance insuffisante.

Pour concevoir un système robuste alimenté par récupération d'énergie, il est indispensable d'optimiser chaque aspect du système embarqué en termes de consommation d'énergie de manière à ce qu'il fonctionne de manière transparente tout en étant alimenté par le système de récupération d'énergie. Un tel système peut contenir plusieurs sous-systèmes pouvant consommer énormément d'énergie et nécessiter d'être optimisés pour s'assurer qu'ils ne réduisent par la récupération d'énergie. Lors de l'optimisation de la puissance, il est important de cibler notamment les éléments clés ci-après :

1. Fréquence d'horloge du processeur

La fréquence d'horloge du système détermine la vitesse de traitement d'une tâche de routine particulière et la quantité d'énergie consommée durant cette période. Une horloge plus rapide signifie un traitement plus rapide, mais une consommation de courant plus élevée. Par ailleurs, chaque dispositif est associé à des exigences de fréquence d'horloge minimum et maximum qu'il est important de respecter.

Pour les conceptions basées sur un système de récupération d'énergie, il est important de choisir une fréquence d'horloge optimisée en fonction des deux facteurs suivants :

• Consommation de courant moyen
• Consommation de courant de crête

La capacité du système de récupération d'énergie doit reposer sur ces deux facteurs. Le courant moyen est la moyenne temporelle de courant nécessaire durant un mode actif particulier. Le courant de crête est la quantité requise de courant maximum instantané du mode actif, et il est souvent bien supérieur au courant moyen. Il est possible que le courant moyen requis corresponde à la capacité du système de récupération d'énergie, mais que le courant de crête entraîne une baisse soudaine d'énergie du système de récupération d'énergie, entraînant une chute de tension en dessous de la tension limite. Notez que la durée de traitement fait partie du calcul de la consommation de courant moyen.

La Figure 5 illustre la puissance par rapport à la durée d'une tâche de routine particulière traitée à une fréquence système de 48 MHz tandis que la Figure 6 illustre la puissance par rapport à la durée de la même tâche de routine à 12 MHz.

Figure 5 : Consommation de courant lors du traitement d'une tâche de routine à 48 MHz.

Figure 6 : Consommation de courant lors du traitement d'une tâche de routine à 12 MHz.

Dans cet exemple, le traitement de la tâche de routine à 48 MHz prend ~300 μs et consomme environ 10 mA de courant de crête durant cette période. Le traitement de la tâche de routine à 12 MHz prend 1,1 ms, mais consomme uniquement 4 mA de courant de crête. Le courant moyen consommé durant le traitement est supérieur à 12 MHz, mais nécessite un courant de crête inférieur. En fonction de la capacité du système de récupération d'énergie, un traitement est possible avec une configuration d'horloge courte de 48 MHz, une configuration d'horloge de 12 MHz plus longue ou un mélange des deux où les fréquences d'horloge basculent d'un traitement à un autre. Il est recommandé de prendre en compte un tel profil de courant lors de la sélection de la fréquence d'horloge optimisée.

2. Démarrage de dispositif à faible puissance

Lorsqu'un dispositif embarqué est mis sous tension, il doit effectuer une procédure de démarrage avant de pouvoir exécuter un code d'application. Une séquence de démarrage typique comprend les étapes suivantes :

1. Initialisation de la mémoire
2. Configuration des vecteurs d'interruption
3. Configuration des registres communs et périphériques
4. Initialisation des horloges externes, le cas échéant

L'exécution de chacune de ces étapes demande du temps de traitement au processeur, ce qui consomme de l'énergie. La quantité d'énergie consommée dépend du type de dispositif utilisé, de la fréquence d'horloge du système, de la taille de la mémoire/du registre en cours d'initialisation et de la durée de configuration des horloges externes. Par conséquent, le processus de démarrage est une activité qui nécessite une importante puissance, et il devrait être optimisé de manière à ne pas consommer une quantité excessive d'énergie depuis la sortie de récupération d'énergie. Lors de l'écriture du code de démarrage, il est important de prendre en compte les facteurs suivants :

1. Initialiser uniquement les sections de mémoire et les registres à utiliser. Ne pas modifier les valeurs par défaut des autres paramètres.

La plupart des systèmes sans fil nécessitent des horloges externes haute précision. Ces horloges, telles qu'un oscillateur d'horloge externe ou un oscillateur à quartz de montre, présentent une durée de stabilisation étendue après le démarrage. Plutôt que d'attendre en mode actif que les horloges se stabilisent, le système doit être défini en mode basse consommation (veille/veille profonde) et réactivé uniquement lorsque les horloges sont prêtes à être utilisées. Pour ce faire, utilisez un temporisateur interne.

3. Démarrage du système à faible puissance

Lorsque le dispositif commence l'exécution du code d'application, il est généralement nécessaire de démarrer les périphériques individuels dans le système. Ces périphériques peuvent être internes au dispositif, comme un CAN, ou externes, comme un capteur. Même si la durée de démarrage n'est pas forcément étendue pour chaque périphérique individuel, le temps de configuration total combiné peut nécessiter davantage de temps de traitement et épuiser l'énergie stockée dans le système de récupération d'énergie. Tout d'abord, calculez la durée de démarrage des périphériques individuels pour une fréquence de processeur donnée. Déterminez ensuite si l'énergie disponible permet de démarrer tous les périphériques ensemble (plus rapide) ou s'il est nécessaire d'exécuter la procédure de démarrage progressivement (plus lent).

4. Traitement d'application progressif

Le dispositif présente plusieurs tâches de routine d'application qui nécessitent leur propre bande passante de processeur. Ces tâches de routine incluent des tâches telles que la configuration d'un périphérique, la réception de données à partir de capteurs, l'exécution de calculs et la gestion d'événements et d'interruptions. Assurez-vous que l'énergie requise pour ce traitement ne dépasse pas la capacité du système de récupération d'énergie. Si tel est le cas, divisez les tâches de routine en sous-routines plus petites et gérez-les par étapes. La charge sur le système de récupération d'énergie est ainsi partagée en impulsions de courant gérables permettant de recharger le système de récupération d'énergie entre des processus de processeurs actifs.

De plus, entre chaque étape, placez le système en mode basse consommation avec une source de réactivation en tant qu'interruption depuis un compteur ou une horloge de surveillance. Étant donné que le système sera en modes basse consommation la plupart du temps, les exigences en courant devront être aussi minimes que possible. Plus le système est efficace durant ces modes, moins il a besoin de temps pour se recharger entre les étapes et plus il est rapide pour effectuer des tâches.

5. Transmission sans fil

Une fois les données collectées, elles doivent être transmises via BLE. Pour effectuer cette transmission, vous avez le choix entre une connexion BLE ou une diffusion BLE. Notez que le balisage à récupération d'énergie est limité à l'annonce BLE, car la configuration d'une connexion BLE accapare une grande quantité d'énergie avant de pouvoir utiliser la connexion pour transférer les données. En général, les activités radio, que ce soit la transmission (TX) ou la réception (RX), constituent les opération qui consomment le plus d'énergie dans un dispositif sans fil. Assurez-vous que l'activité BLE intervienne en tant que processus indépendant regroupé avec un autre processus uniquement si la sortie de récupération d'énergie peut fournir cette quantité de courant de crête.

Conceptions efficaces avec solutions BLE et PMIC de Cypress

Les circuits intégrés de gestion de l'alimentation (PMIC) pour la récupération d'énergie de Cypress Semiconductor permettent de développer une solution sans batterie pour des capteurs et des réseaux sans fil. Ils constituent un choix idéal grâce à un contrôle précis de la puissance de sortie avec une conversion de puissance efficace pour de petites applications BLE à faible puissance, comme des balises et des nœuds de capteurs sans fil. Ils peuvent être utilisés dans une solution sans batterie ou conjointement avec une batterie, comme une batterie Li-ion en tant que source d'alimentation de secours. Des circuits PMIC optimisés comme le S6AE101A (optimisés par dispositif de récupération d'énergie du soleil ou de la lumière) offrent une consommation de courant de repos et de démarrage extrêmement faible, permettant ainsi l'utilisation d'une microcellule solaire qui réduit le format global. Un circuit PMIC pour la récupération d'énergie comme le MB39C831 peut démarrer à partir d'une basse tension et s'adapter aux exigences de puissance de l'application grâce à une fonctionnalité appelée recherche de point de puissance maximale (MPPT). La fonctionnalité MPPT permet au convertisseur CC/CC interne de contrôler la charge de sortie en suivant la puissance d'entrée, optimisant ainsi la sortie de puissance.

Les circuits PMIC pour la récupération d'énergie de Cypress sont compatibles avec une variété d'applications. Par exemple, la gamme MB39C8xx de circuits PMIC prend en charge des dispositifs de récupération d'énergie solaire, thermique et de vibration. Pour les systèmes plus complexes, la gamme S6AE10xA de circuits PMIC optimisés pour l'énergie solaire permet de contrôler plusieurs sorties et dispositifs de stockage.

Un autre aspect d'une balise sans fil et sans batterie est la sélection d'un microcontrôleur. Des microcontrôleurs intégrés en tant que systèmes programmables, tels que des systèmes sur puce (SoC) avec prise en charge de plusieurs modes basse consommation, sont parfaitement adaptés pour de telles applications. Par exemple, le système sur puce programmable (PSoC) de Cypress offre une intégration étroite avec divers types de périphériques pouvant être utilisés pour interfacer avec des capteurs. Le système BLE PSoC 4, en particulier, contient des périphériques basse consommation, une radio BLE et une pile BLE intégrée, ce qui permet de concevoir un nœud de capteur BLE monopuce. Par ailleurs, la prise en charge de modes ultrabasse consommation permet aux systèmes de fonctionner de manière fiable en utilisant des sources de puissance limitées, telles que des récupérateurs d'énergie et des piles boutons. De tels récupérateurs, avec un système PSoC, se révèlent être une conception optimale pour des applications de nœud de capteur BLE sans batterie.

Pour en savoir plus sur la conception de systèmes sans fil efficaces pour des applications de récupération d'énergie, consultez la note d'application Getting Started with Bluetooth Low Energy relative au démarrage avec Bluetooth Low-Energy. Pour des informations détaillées sur l'optimisation de sous-systèmes BLE pour la récupération d'énergie, reportez-vous à la note d'application Designing for Low Power and Estimating Battery Life for BLE-based Applications abordant la conception pour une basse consommation et l'estimation de la durée de vie des batteries pour des applications BLE. Vous pouvez également cliquer ici pour accéder à une présentation des circuits intégrés de gestion de l'alimentation.

Annexe

A1 : Captures d'écran d'oscilloscope illustrant les divers processus dans le nœud de capteurs BLE alimenté par récupération d'énergie

Cette Figure illustre les variations de tension de sortie du système de récupération d'énergie par rapport au traitement du processeur sur une période donnée. Le signal en jaune représente la tension de sortie du système de récupération d'énergie, et le signal en vert la consommation de courant par le dispositif embarqué. Les pics en vert représentent la consommation de courant durant le processus actif du processeur. Le signal plat se produit lorsque le dispositif est en mode basse consommation. Notez que la tension de sortie du système de récupération d'énergie baisse pour chaque activité du processeur (pics en vert) en raison de l'énergie consommée par le processeur. Notez également que la tension est récupérée durant les états basse consommation lorsque le système de récupération d'énergie recharge le dispositif de stockage d'énergie.

Cette Figure illustre la tension de sortie du système de récupération d'énergie par rapport aux activités du processeur sans recharge du dispositif de stockage d'énergie dans le système de récupération d'énergie. Notez qu'au fur et à mesure que l'énergie s'épuise, la tension tombe sous la tension limite, ce qui implique un arrêt de la sortie du système de récupération d'énergie.

Consommation de courant (signal vert) au démarrage du dispositif :

Activité de transmission BLE dans une balise alimentée par récupération d'énergie :