Communication sans fil économique avec des capteurs intelligents plus efficaces

Dans le monde d’aujourd’hui, de plus en plus d’appareils sont connectés sans fil les uns aux autres à l’aide de capteurs intelligents. Cependant, au fur et à mesure que cet Internet des objets se développe, il consomme de plus en plus d’énergie. Pour résoudre ce problème, le projet de phare ZEPOWEL de Fraunhofer a incité le développement de matériel qui non seulement rend les capteurs écoénergétiques, mais leur permet même d’économiser de l’énergie. Comme point de départ, le projet se concentre sur deux nœuds de capteurs – un pour contrôler les machines et un pour mesurer la qualité de l’air dans la ville.

Qu’il s’agisse de protéger les maisons des intrus ou de surveiller les machines d’une usine, l’utilisation de capteurs à des fins de surveillance et de contrôle est en augmentation. Il existe des capteurs qui signalent lorsqu’une fenêtre s’ouvre soudainement et des capteurs qui enregistrent lorsqu’une machine tourne au ralenti et gaspille de l’énergie, pour ne citer que quelques exemples. À l’aide d’un microcontrôleur, ces petits appareils analysent la situation afin de pouvoir ensuite émettre un signal via une unité sans fil et recevoir des instructions. Compte tenu du nombre croissant de tels appareils, appelés nœuds de capteurs, les experts utilisent depuis de nombreuses années le terme «Internet des objets» (IoT): un réseau qui verra un avenir dans lequel plusieurs millions d’appareils connectés via le Internet est utilisé à la fois dans nos propres maisons et dans des applications industrielles.

La demande d’énergie pour rivaliser avec l’ensemble de l’Allemagne

Le grand nombre de nœuds de capteurs qui ont été mis en jeu jusqu’à présent consomment déjà d’énormes quantités d’énergie. Même dès 2013, la consommation d’énergie de tous les appareils en réseau dans le monde était déjà égale à la demande totale d’énergie électrique dans l’ensemble de l’Allemagne, selon une étude menée par l’Agence internationale de l’énergie à Paris. Dans ce contexte, huit instituts Fraunhofer ont uni leurs forces il y a quelque temps pour former le projet de phare Fraunhofer ZEPOWEL (voir encadré), dans le but de développer des nœuds de capteurs à haute efficacité énergétique. Cette année verra l’introduction de deux solutions qui aborderont le défi posé par la consommation d’énergie sous deux angles différents. L’un d’eux implique un nœud de capteur autonome qui se fournit en énergie et collecte des données environnementales sur la qualité de l’air, par exemple. L’autre implique un nœud de capteur qui enregistre l’état de fonctionnement des machines, des moteurs ou des pompes afin de réduire considérablement leur consommation d’énergie.

«Le matériel de nœud de capteur que nous avons développé dans le projet se distingue car il peut être construit de manière modulaire à partir de divers blocs de construction, ce qui lui permet d’être adapté à une gamme d’applications», explique Erik Jung, membre de l’équipe de projet à l’Institut Fraunhofer pour Fiabilité et micro-intégration IZM – l’institut qui a rassemblé les développements individuels des instituts participants pour créer un tout fonctionnel. «Un certain nombre de partenaires ont apporté leurs connaissances sur la façon de créer des puces efficaces et de l’électronique de contrôle, tandis que d’autres ont offert leur expertise sur la construction de petites batteries et de convertisseurs d’énergie efficaces, et sur des protocoles sans fil sécurisés.

Capteur autonome pour la ville intelligente

Une caractéristique importante du nœud de capteur autosuffisant, connu sous le nom de «nœud de ville intelligente», est qu’il passe dans un mode de sommeil profond hautement économe en énergie lorsqu’il n’est pas nécessaire. Dans cet état, il ne consomme que quelques nanowatts. Il ne s’allume que lorsqu’il est activé sans fil – afin de pouvoir mesurer les particules et transmettre les mesures à l’aide de la technologie sans fil, par exemple. Le nœud de ville intelligente devrait être installé dans les voitures et les bus au cours des prochains mois. Exploitant un convertisseur d’énergie, il tire sa puissance des vibrations qu’il subit lors de ses voyages. «Ces nœuds sont minuscules et abordables, ne nécessitent aucune maintenance et peuvent être utilisés dans de nombreux endroits, ce qui permet d’établir un réseau de mesure hautement intégré», déclare Erik Jung. À l’avenir, de tels capteurs pourraient également être déployés dans des applications agricoles pour mesurer l’humidité du sol et la teneur en éléments nutritifs de sites spécifiques avec un haut niveau de précision, permettant aux agriculteurs d’irriguer et de fertiliser leurs terres de manière plus ciblée. Cette agriculture de précision basée sur des capteurs prend de l’ampleur, ajoute Jung.

Enseigner aux machines pour économiser l’énergie

Le deuxième type de nœud de capteur sera utilisé dans les machines équipées de moteurs, initialement dans les machines-outils fournies par un partenaire industriel. Aujourd’hui encore, de nombreuses machines qui doivent être démarrées et arrêtées manuellement sont toujours utilisées. Une fois la commande terminée, ils restent inactifs jusqu’à ce que quelqu’un appuie sur le bouton marche / arrêt. En plus de la technologie de mesure, le nouveau nœud de capteur contient désormais une électronique de puissance innovante pour déclencher 15 kilowatts à des tensions de commutation allant jusqu’à 850 volts. Le nœud est connecté à la machine et peut alors la mettre sous tension et hors tension ou la faire fonctionner à la vitesse requise. «Dans le monde industriel, il y a encore beaucoup de machines qui ne sont pas contrôlées en vitesse», déclare Erik Jung. Les remplacer par de nouvelles machines coûterait énormément cher, il est donc logique de les équiper du nœud de capteur intelligent à la place, ajoute-t-il. «Selon une estimation approximative, les émissions de dioxyde de carbone à travers l’Allemagne seraient réduites d’environ 20 pour cent si l’industrie faisait un usage intensif de capteurs intelligents avec des commandes intégrées», déclare Jung. Le projet du phare de ZEPOWEL a maintenant montré comment y parvenir.