Conception de microcapteurs autonomes et modélisation sous forme de blocs génériques et reconfigurables

Abstract

Les réseaux de capteurs sont constitués de nœuds disséminés dans des environnements souvent vastes et inaccessibles. Par conséquent, il est nécessaire de garantir l'autonomie énergétique de ces nœuds afin d'assurer le bon fonctionnement des réseaux. Des recherches sont ainsi menées pour accroître cette autonomie, comme la conception de composants très faible consommation, le développement de protocoles de communication spécifiques et la considération des solutions de récupération d'énergie. Dans ce contexte, nos travaux portent sur la conception de microcapteurs autonomes sans fils et notamment leur modélisation sous forme de blocs génériques, reconfigurables et réutilisables. Ces aspects de recherche nous ont permis de développer des outils de simulation système du nœud d'un réseau de capteurs basés sur des modèles de type architectural et implémentés sous Matlab-Simulink. Le premier outil permet de tester différentes configurations matérielles et logicielles d'un microcapteur, pour une application donnée. Il évalue sa consommation et son autonomie tout en identifiant les éléments les plus consommateurs. Ces données servent de points d'entrée à un second outil. Ce deuxième outil permet d'adapter le choix des sources d'énergie du microcapteur en incluant les solutions de récupération d'énergie et en considérant les contraintes liées à son environnement. Il s'appuie sur une méthode de conception structurée. Cette méthode démarre par une phase de structuration et de définition du système, de son environnement et des sources d'énergie présentes. Ensuite, nous avons défini des critères de sélection pour choisir les sources d'énergie les plus adaptées au problème, en prenant en compte les contraintes fixées par l'application. Ce choix permet de définir l'architecture de la source d'alimentation en énergie et d'obtenir un premier modèle haut niveau. Par la suite, ce modèle est raffiné en améliorant la représentation de chaque bloc à l'aide de logiciels spécifiques, afin de tenir compte du caractère multi-physique de la conception. La solution logicielle, développée à partir de cette méthode et connectée à une base de données évolutive, constitue un support pour guider l'utilisateur dans les différentes phases de modélisation et de conception, et dans le choix d'une architecture adaptée en explorant un ensemble de solutions possibles. Cette interface est reliée à un outil d'évaluation rapide de l'autonomie du système, constitué de modèles simples, pour faciliter le choix de l'architecture. Combiné au premier outil, il offre aussi la possibilité d'optimiser les architectures matérielle et logicielle du microsystème, en évaluant l'impact de certains paramètres (fréquence de fonctionnement du microcontrôleur, débit d'envoi des données, protocole de communication, ...) sur la consommation finale du dispositif ou en testant différents composants. De plus, dans le cas où aucun composant du marché ne conviendrait pour une fonction donnée (émetteur/récepteur, capteur, ...), il permet de mettre en évidence la nécessité d'une réalisation spécifique. Ainsi, la méthode développée guide les concepteurs dans le choix des composants, des matériaux, des technologies et de l'architecture du microsystème. Elle permet de définir la structure globale en couplant différents domaines de l'ingénierie dès les premières phases du processus de conception. L'originalité réside dans l'approche système utilisée. De plus, les outils développés sont orientés "application", ils supportent le processus de conception, partant des spécifications jusqu'à la conception détaillée. Par ailleurs, ils permettent d'estimer rapidement si une source d'énergie peut suffire pour assurer l'autonomie énergétique d'un nœud ou si l'hybridation de plusieurs sources est nécessaire et propose une conception virtuelle des différentes solutions possibles, afin de réduire la durée du processus de conception. Ils offrent aussi la possibilité aux concepteurs de choisir la meilleure configuration d'un nœud en fonction des spécifications de l'application et de l'autonomie visée.