- Cet article d’Analog Devices explique comment il est possible de rendre les appareils connectés à l’Internet des objets (IoT) plus économes en énergie.
- Après un rappel concernant les techniques de gestion de la batterie, il présente le rôle des modes « expédition » (ship mode) et « veille » (sleep mode) très basse consommation (nanopuissance).
- Il présente ensuite une nouvelle solution qui vise à optimiser ces deux paramètres en réduisant la consommation d’énergie et occupant moins d’espace sur la carte que les méthodes traditionnelles.
Auteur : Suryash Rai, ingénieur Product Applications, chez Analog Devices
Les technologies de l’Internet des objets (IoT) permettent de connecter différents nœuds de détection et de transférer les données recueillies vers un serveur sécurisé. Cependant dans la plupart des applications IoT, le nœud de capteurs, c’est-à-dire l’organe chargé de collecter les données, est placé dans une zone éloignée et alimenté par une batterie dont la durée de vie dépend de l’efficacité avec laquelle sont élaborées les stratégies d’alimentation du nœud de capteurs. De manière générale, le nœud de capteurs est en mode veille (sleep mode) et s’active uniquement lorsqu’il doit acquérir des données. Le rapport cyclique de ces composants est faible et pour maximiser la durée de vie de la batterie, il convient d’améliorer le courant de veille des applications connectées à l’IoT.
Principes de la gestion de l’alimentation électrique des appareils connectés
Dans un système connecté classique (figure 1), le nœud de capteurs sans fil est principalement alimenté par une batterie, de sorte que son fonctionnement est intrinsèquement lié à la longévité de ce composant. En d’autres termes, la gestion de l’alimentation est cruciale pour maximiser la durée de vie du nœud de capteurs. Le concept de rapport cyclique (duty cycle) est couramment appliqué pour réduire la consommation des nœuds de capteurs. Étant donné que les modes « sur-écoute » (ovehearing) et « écoute passive » (idle listening) sont les principales sources de pertes d’énergie au niveau des nœuds de capteurs, nous pouvons évaluer leur consommation d’énergie à trois niveaux :
► le capteur
► le microcontrôleur
► la liaison radio
Le capteur collecte des données brutes (relevés de température et du niveau d’humidité, par exemple) et les envoie au microcontrôleur qui les traite et les transmet au cloud ou à un datacentre via une liaison radio. Cependant, étant donné que les applications de détection typiques affichent des rapports cycliques très bas (de 0,01 à 1 %) et qu’elles sont la plupart du temps inactives, l’adoption d’un schéma de gestion de la consommation où le courant de veille du nœud de capteurs est très faible permettra de maximiser la durée de vie de la batterie. C’est par exemple le cas d’un système d’irrigation intelligent qui contient un nœud de capteurs chargé de mesurer l’humidité du sol et qui collecte des données une fois par heure.
À quoi servent les modes Ship et Sleep ?
Les modes expédition (Ship) et veille (Sleep) sont utilisés couramment dans le jargon des objets connectés alimentés par batterie et constituent un aspect crucial de la gestion de l’énergie dans les applications IoT. Le mode expédition est un état de très basse consommation (nanopuissance) qui prolonge la durée de vie de la batterie pendant la phase de transport d’un produit. En mode Ship, la batterie est électriquement déconnectée du reste du système afin de minimiser la consommation d’énergie lorsque le produit est inactif ou non utilisé. Un bouton-poussoir permet de quitter ce mode et de lancer le fonctionnement normal du produit.
Une fois l’appareil « activé », le mode veille prend le relais pour prolonger la durée de vie de la batterie. En mode veille, tous les périphériques du système sont éteints ou fonctionnent au niveau d’énergie minimale requis. Les appareils connectés se réveillent périodiquement pour exécuter une tâche spécifique avant de repasser en mode veille.
Différents modes de veille peuvent être obtenus en désactivant certains périphériques du nœud de capteurs sans fil. Par exemple, en mode « veille modem », seuls les organes de communications sont désactivés. En mode « veille légère », la plupart des organes (le bloc de communications, le bloc capteur et les blocs numériques) sont désactivés, tandis qu’en mode « veille profonde », le nœud de capteurs sans fil est entièrement éteint.
L’activation du mode sommeil profond dans le nœud de capteurs permet de maximiser la durée de vie de la batterie. Par conséquent, l’optimisation du courant de sommeil profond est la seule façon d’améliorer la durée de vie globale de la batterie.
La gestion du rapport cyclique permet d’activer le mode veille profonde dans les applications connectées à l’IoT
La gestion du rapport cyclique du module IoT est l’une des méthodes les plus couramment utilisées pour activer le mode veille profonde. Lorsqu’un nœud de capteurs sans fil est en sommeil profond, la plupart des périphériques sont éteints ou à l’arrêt, leur consommation ne dépassant pas quelques nanoampères. On utilisera une horloge temps réel (RTC — Real-Time Clock) pour réveiller le module connecté après un délai programmé. Avec cette technique, le microcontrôleur est complètement éteint lorsque le système est en mode sommeil profond. Après le rétablissement toutefois, un intervalle de démarrage intrinsèque ajoute systématiquement un délai indésirable. Compte tenu de ce compromis, l’impact du principe proposé dépend des caractéristiques de chaque nœud, ainsi que du rapport cyclique de l’application.
Une solution classique pour les modes sommeil profond et expédition : utiliser une horloge RTC, un commutateur de charge et un contrôleur à bouton-poussoir
Dans les solutions traditionnelles, un commutateur de charge et une horloge temps réel (RTC) sont utilisés pour activer et désactiver le nœud de capteurs sans fil. Dans cette approche, seuls le commutateur et l’horloge sont actifs, ce qui abaisse le courant de repos total à quelques nanoampères (nA). La période de sommeil peut être programmée à l’aide du microcontrôleur intégré au nœud de capteurs sans fil.
Il est possible de connecter un contrôleur à bouton-poussoir externe à un commutateur de charge pour activer le mode expédition. Ce bouton-poussoir permet de sortir du mode expédition et de basculer le nœud de capteurs sans fil en mode opératoire normal.
Une solution perfectionnée pour les modes veille profonde et expédition
Les contrôleurs de nanopuissance MAX16163/MAX16164d’Analog Devices disposent de contrôleurs marche/arrêt (on/off) et d’un temps de sommeil programmable. Ces composants embarquent un interrupteur qui déclenche une sortie et applique un courant de charge pouvant atteindre 200 mA. Pour leur part, les MAX16162/MAX16163 peuvent remplacer le commutateur de charge classique, l’horloge temps réel et les circuits intégrés de « rafraîchissement » de la batterie pour réduire la nomenclature et les coûts. Le nœud de capteurs sans fil est connecté à la batterie via les contrôleurs MAX16162/MAX16163 . Le temps de sommeil peut être programmé par le microcontrôleur ou réglé à l’aide d’une résistance externe entre la broche PB/SLP et la masse, ou au moyen de la commande I2C du microcontrôleur. Le bouton-poussoir externe permet de quitter le mode expédition.
Comparaison des performances
La comparaison des performances dans l’un et l’autre modes est liée au rapport cyclique de l’application connectée à l’IoT. Dans une application affichant un rapport cyclique peu élevé, le courant de veille mesure l’efficacité du système lorsque l’appareil connecté fonctionne, tandis que le courant d’arrêt mesure la consommation d’énergie en mode expédition. Pour démontrer le mode de la solution, nous avons choisi le contrôleur MAX31342 à horloge temps réel qui affiche le courant de repos le plus bas de l’industrie, le circuit MAX16150 avec technologie de protection de la batterie Freshness Seal(*) et le commutateur de charge miniature TPS22916. L’horloge temps réel est programmée à l’aide d’un circuit de communications I2C qui fixe le temps de sommeil de l’application connectée. Lorsque le délai fixé par l’horloge arrive à expiration, le signal d’interruption abaisse la broche PBIN du contrôleur MAX16150, ce qui lève la broche OUT et active le commutateur de charge. Pendant la phase de sommeil, seuls les circuits TPS22916, MAX31342 et MAX16150 consomment de l’énergie.
Dans cette expérimentation, nous avons évalué la durée de vie de deux systèmes haute performance avec un rapport cyclique fixe, en comparant les performances de la solution conventionnelle et celles de la solution améliorée par l’utilisation du contrôleur MAX16163.
La durée de vie de la batterie peut être calculée en utilisant le courant de charge moyen et la capacité de la batterie.
Le courant de charge moyen peut être calculé en utilisant le rapport cyclique du système.
Le courant actif correspond au courant du système lorsque le nœud de capteurs sans fil est actif. Pour comparer les deux solutions, nous sommes partis du principe que le système se réveille une fois toutes les deux heures, exécute la tâche demandée et repasse en mode veille. Le courant actif du système est de 5 mA. La durée de vie de la batterie dépend du rapport cyclique de l’opération. La figure 5 représente la courbe de durée de vie de la batterie des deux systèmes avec des rapports cycliques différents, de 0,005 % à 0,015 %.
(*) Cette fonctionnalité dont disposent les circuits de supervision des microprocesseurs déconnecte une batterie de secours de tout circuit monté en aval jusqu’à ce que la tension VCC soit appliquée pour la première fois. La technologie Freshness Seal empêche les batteries de secours de se décharger avant qu’une carte soit branchée et utilisée pour la première fois, prolongeant ainsi la durée de vie de la batterie.
