L'IoT change la manière dont les systèmes basés sur capteurs sont conçus et implémentés

Les efforts déployés pour éliminer les combustibles fossiles peuvent paraître aussi difficiles que de nager à contre-courant. Des raisons économiques, par exemple les coûts exorbitants des panneaux solaires, des contrôleurs de charge ou des batteries, ont incité de nombreuses entités à renoncer ou au moins à réduire leurs empreintes de carbone autant que possible. Cependant, les efforts pourraient bientôt s'avérer moins pénibles grâce à la technologie. Par exemple, l'utilisation d'onduleurs liés à un réseau électrique permet à un panneau solaire de renvoyer de l'énergie vers le réseau électrique sans forcément utiliser des batteries ou des contrôleurs de charge, ou recâbler le site. En outre, l'Internet des objets (IoT) vous accompagne afin de vous permettre de surveiller le rendement du panneau solaire n'importe où dans le monde.

Cet article porte sur la manière dont l'IoT change la conception et l'implémentation des capteurs et des systèmes basés sur des capteurs. La capacité à déployer et partager des capteurs distribués et économiques permet un niveau de contrôle plus précis et peut s'intégrer à une solution sociétale afin d'améliorer le rendement énergétique. Toutes les technologies et tous les composants mentionnés dans cet article sont disponibles sur le site Web de DigiKey.

Connectivité cloud

Durant d'innombrables décennies, les producteurs et distributeurs d'énergie ont utilisé des systèmes fermés en termes d'état et de contrôle. Les centres nerveux ainsi que les stations de détection ou de commutation à distance sont des systèmes ou des réseaux fermés à travers des liaisons sans fil dédiées, des lignes téléphoniques ou le câblage entre les installations. L'aspect positif est que les intrusions et les piratages ne pouvaient être perpétrés qu'en agissant physiquement sur le câblage ou sur les liaisons de communications, ou en les interrompant.

Cependant, l'IoT et la connectivité cloud changent tout cela et assez rapidement. Les raffineries de pétrole et de gaz naturel et liquide, les sites d'entreposage, les systèmes de transfert et les stations de commutation (ainsi que les fonctions de contrôle et surveillance de sécurité associées) sont en pleine restructuration dans le but de parfaire la connectivité dans un environnement basé sur le cloud. De la même façon, les systèmes domestiques basés sur le cloud peuvent offrir des avantages comme le contrôle à distance. Dans ces cas, grâce à l'utilisation d'un smartphone ou d'une tablette, l'accès aux systèmes clés d'un logement ou d'un site peut permettre de lire les données des capteurs, d'économiser de l'énergie, de préparer une occupation ou de désactiver des services non utilisés.

L'exemple le plus notoire est celui du thermostat contrôlé à distance. Un simple capteur de température, lié à un microcontrôleur et à un réseau de communication, permet potentiellement de réduire l'énergie dépensée en chauffage et en climatisation, figurant parmi les systèmes domestiques les plus énergivores.

Même si des algorithmes d'apprentissage permettent des tentatives d'anticipation de paramètres pour créer un fonctionnement plus autonome, l'avantage réel est effectif lorsque vous pouvez contrôler la température où que vous soyez. Par exemple, le comportement constaté peut indiquer que durant une journée de la semaine, à une heure donnée, il est recommandé d'augmenter la chaleur de 10 à 21 degrés pour anticiper une occupation ; mais si vous savez que vous serez absent, une simple commande d'annulation permet de garder la température à 10 degrés, pour économiser plus d'énergie pendant une nuit que toutes les lampes fluorescentes à cathode froide (CCFL) installées dans votre maison.

Un exemple de solution de conception

L'un des principaux avantages de la connectivité IoT est la possibilité de relier des capteurs et des systèmes redondants ou dissemblables à des fins de partage de fonctionnalités. Par exemple, des systèmes de sécurité peuvent utiliser des capteurs infrarouges pyroélectriques (PIR) et/ou des détecteurs de mouvement hyperfréquence pour déclencher une alarme en cas de détection de mouvement. Généralement, le système d'alarme est une boucle fermée et un système autonome en soi (Figure 1).

Figure 1 : Les systèmes indépendants fournissent des fonctionnalités limitées et sont souvent associés à des fardeaux financiers supplémentaires liés à un matériel redondant.

Cependant, lorsqu'il est possible de partager des capteurs clés en utilisant la connectivité avec d'autres systèmes pouvant avoir une fonctionnalité primaire totalement différente, un niveau plus élevé d'autonomie et d'économie d'énergie peut être mis en place sans compromettre le rendement ou les fonctionnalités. Deux (ou plusieurs) systèmes indépendants peuvent partager un capteur, ce qui permet d'éliminer la redondance et les coûts. Prenons l'exemple d'un système qui permet à un seul capteur de partager des fonctionnalités avec d'autres systèmes (Figure 2).

Figure 2 : La connectivité entre des systèmes sans relation génère une nouvelle couche de capacités qu'aucun des systèmes ne pouvait auparavant atteindre. Ce paramètre peut changer l'approche des capteurs distribués et des conceptions de contrôle en termes d'architecture.

Dans notre exemple, le détecteur de mouvement d'un éclairage de sécurité ne commande ni ne contrôle plus l'éclairage de sécurité. Les actions associées sont au contraire surveillées au moyen d'un microcontrôleur. La liaison d'activation ou de désactivation des projecteurs ne sert plus de dispositif d'activation ou de désactivation. Les lampes sont commandées par un gradateur basé sur un microcontrôleur.

Une technique de programmation algorithmique d'intelligence artificielle regroupe les fonctions de cette solution. Dans le cadre d'un niveau de reconnaissance plus élevé, le site arrive à « reconnaître » certaines situations. Il reconnaît le jour et la nuit. Il distingue un environnement éclairé d'un environnement sombre. Il reconnaît si la pièce est occupée ou vide. Deux autres affirmations sont importantes : la maison sait si elle est en mode sécurisé ou non (par exemple, si l'alarme est armée) et elle sait également si les personnes sont réveillées ou endormies.

Une table de vérité similaire à une approche de résolution de problème permet de déterminer les mesures à prendre (Figure 3). Cela permet d'empêcher la consommation d'énergie inutile en journée, mais d'économiser également l'énergie par d'autres moyens.

Figure 3 : À l'instar d'un problème de conception logique, la solution à sorties multiples vers une gamme de capteurs partagés et distribués peut être réduite à une fonctionnalité de type table de vérité. Un système peut reconnaître les heures du jour et de la nuit dans le cadre de l'algorithme programmé et, par conséquent, des assertions basées sur des règles peuvent ne pas nécessiter des informations de jour ou de nuit pour réagir de manière appropriée.

Un éclairage de sécurité pouvant consommer 150 W ne signifie pas forcément qu'il doit atteindre cette valeur. Fonctionnant à 30 % de son intensité, par exemple, l'éclairage permet d'éclairer une zone pour un niveau suffisant de sécurité. En mode sécurisé, le basculement vers une intensité à 60 % permet à un intrus potentiel de comprendre qu'il a été détecté. Il permet également de placer le système d'alarme dans un état renforcé et éventuellement d'activer une vidéo DVR pour un laps de temps. Le partage de capteurs de données permet une économie d'énergie cumulative ainsi que la possibilité d'améliorer le rendement d'autres systèmes.

Ceci est important lorsqu'il est question de l'IoT et de la connectivité cloud. Un système peut alors « penser » à un niveau plus élevé et vous déranger uniquement si une situation nécessite réellement votre intervention. Cette approche permet également à un résident d'interagir avec son environnement à un niveau plus élevé, tout en permettant à la technologie encapsulée de réduire les demandes en énergie de manière générale.

Il est intéressant de noter que les attentes intuitives peuvent être remplacées par les données des capteurs. Par exemple, le fait qu'un bâtiment reconnaît les horaires de lever et de coucher du soleil, dans le cadre d'un algorithme programmé de jour et de nuit, ne signifie pas pour autant qu'il est capable d'utiliser les données pour économiser l'énergie de la manière la plus optimale. À l'inverse, les capteurs de lumière ambiante comme l'APDS-9008-020 d'Avago permettent de capter plus précisément un seuil d'obscurité pour empêcher le déclenchement des lumières tant qu'elles ne sont pas vraiment nécessaires. Combinés avec des préamplificateurs PIR, comme le BD9251FV-E2 de ROHM, et des puces de contrôleur PIR, comme le NCS36000DRG d'ON Semiconductor, pratiquement tous les microcontrôleurs RF économiques, tels que le CC3200R1M1RGCR de TI, sont capables de fournir une solution idéale pour la nouvelle génération de capteurs de gestion de l'énergie basés sur l'IoT.

Tout comme les usines, les maisons et les appartements pourraient un jour fonctionner avec des mesures d'incitation à ne jamais excéder les charges de crête demandées. Cela permet aux services qui génèrent et distribuent l'électricité de disposer d'une charge plus prévisible, dans la mesure où les clients prennent la responsabilité du contrôle de charge en temps réel. Lorsque les installations industrielles, les bâtiments publics ou même les foyers consomment, à un moment quelconque, une puissance supérieure à un seuil prédéterminé, les tarifs énergétiques augmentent.

La capacité d'accéder à des informations clés telles que la consommation de courant en temps réel permet aux commandes de basculer les charges et d'interagir avec d'autres systèmes pour économiser de l'énergie sans compromettre les services ou le rendement. Comme l'a démontré cet article, la méthodologie de conception, les capteurs et les technologies de communications sont déjà disponibles pour les ingénieurs.

Pour plus d'informations sur les composants abordés dans cet article, cliquez sur les liens fournis pour accéder aux pages produits du site Web de DigiKey.