HIKOB Chronicles

HIKOB INSIGHT – Numéro 3

Dans ce troisième éclairage, nous vous invitons à percevoir que la complexité de l’autonomie d’un système sans fil de détection de véhicule est le résultat d’une équation à plusieurs variables. Nous partagerons également avec vous comment HIKOB agit sur tous ces leviers pour vous proposer le système le plus durable possible.

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Notions préalables

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L’autonomie d’un système matériel sans fil communicant est liée à la capacité nominale de la batterie mais aussi à de nombreux autres paramètres extérieurs qui impactent la consommation d’énergie (qualité du réseau radio sans fil, mode de consommation du micro logiciel embarqué, niveau de sollicitation,…) et à l’environnement de déploiement (variations de température, contexte électromagnétique…).

Qu’est que l’autonomie ?

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  • à usage unique appelées batteries primaires ou piles sont des systèmes électrochimiques qui stockent de l’énergie sous forme chimique et la restituent sous forme électrique. La réaction chimique diminue jusqu’à ce que la batterie ne fournisse plus d’énergie.
  • L’autonomie est la durée de temps pour laquelle un appareil peut fonctionner sans avoir à remplacer sa pile.
  • L’autonomie donnée par une pile est fonction de nombreux paramètres inhérents à sa conception, à son environnement et à l’intensité de la consommation.

 

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Qu’est que la gestion de l’autonomie ?

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L’unité de contrôle d’énergie des équipements constitue une partie cruciale du système. Elle doit répartir l’énergie disponible aux autres modules (microcontrôleur, chip radio…), de manière optimale. Lors de la conception, il s’agit donc de mettre en place la meilleure configuration en fonction de l’usage et de tenir compte de chacun de ces facteurs afin de déterminer le meilleur équilibre entre la capacité potentielle de la batterie et les performances attendues. Il s’agit de trouver la meilleure séquence d’activation et de traitement permettant d’avoir la meilleure mesure possible tout en maintenant la consommation à un niveau minimal.

L’autonomie d’un système sans fil de détection de véhicule est le résultat d’une équation à plusieurs variables. Elle est déterminée, entre autres, par la gestion de la ressource d’énergie de chacun des équipements composant le système, de la pertinence du protocole de communication, de l’environnement de déploiement, de la topologie du déploiement, de la congruence des configurations, de la réalité météorologique mais aussi de la fréquence à laquelle le système est sollicité.

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La gestion de l'autonomie vue par HIKOB

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Pour les raisons de performance évoquées dans le paragraphe précédent, le capteur HIKOB WISECOW utilise des piles lithium-ion. Étant donné sa très petite taille, le nombre de piles est limité à 4. La ressource énergétique est limitée et conditionne la durée de fonctionnement du capteur HIKOB WISECOW.

Estimation du phénomène d’autodécharge des batteries lithium-ion

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La capacité d’énergie disponible d’une pile diminue progressivement au cours de son utilisation. Plus l’utilisation est intensive, plus la capacité diminue rapidement. Cette capacité d’énergie disponible est également impactée par le phénomène d’autodécharge.

L’autodécharge est une réaction électrochimique qui implique que lorsqu’un accumulateur n’est pas utilisé, il va quand même se décharger progressivement, conduisant à la diminution de la capacité disponible au moment de l’utilisation.

D’après leurs fabricants, les piles lithium-ion utilisées dans les capteurs intégrés HIKOB WISECOW perdent généralement, du fait du phénomène d’autodécharge, entre 1 % et 3% de leur capacité disponible chaque année, à température ambiante stabilisée. Le phénomène réel d’autodécharge est donc un phénomène complexe à modéliser, la réalité de la météo étant fortement changeante et dépendante d’un lieu donné.

L’autodécharge a un impact en soi très faible sur la capacité disponible. Mais la consommation effective du capteur intégré HIKOB WISECOW est, elle même extrêmement faible et comparable à celle de l’autodécharge. Plus on avance dans le temps, plus la part de la baisse de capacité liée à l’autodécharge prend de l’importance.

Dans ces conditions, concevoir des équipements capables de transmettre sans fil des données complexes en temps réel avec une faible consommation d’énergie est un véritable défi.

Figure 1_Part de l’autodécharge dans la consommation de l’énergie

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Architecture électronique basse consommation

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Tout au long de la démarche de développement, HIKOB doit maîtriser les optimisations architecturales, logiques et technologiques en vue de satisfaire les contraintes de cadence de traitement, de consommation et de coût des équipements des systèmes HIKOB INSTANT.

Les différentes cartes électroniques utilisées dans les équipements sont prévues pour la meilleure gestion possible de la ressource « énergie », notamment en s’appuyant sur des composants électroniques basse consommation. HIKOB utilise également des microcontrôleurs à faible puissance de calcul (microcontrôleur 32 bits) et donc moins consommateurs en énergie tout en déployant des algorithmes de détection avancés pour pouvoir restituer des informations pertinentes.

La faible consommation des équipements permet de réduire leur besoin en énergie et donc de les alimenter grâce à des sources peu encombrantes. Il en résulte des systèmes longue durée extrêmement peu intrusifs.

Consommation contrôlée

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Pour les applications visées, les systèmes HIKOB INSTANT font à la fois preuve d’une haute réactivité combinée à une grande efficacité énergétique. Nous considérons qu’économiser l’énergie et fournir un niveau de service avec une latence maitrisée sont les caractéristiques primaires des systèmes HIKOB INSTANT. Ces derniers s’appuient sur un protocole de communication dynamique qui utilise la ressource énergétique au juste besoin afin de transporter les volumes de données de détection tout en garantissant le niveau de service requis (disponibilité du lien de communication, rapidité de la transmission).

Durant leur fonctionnement, les équipements autonomes HIKOB alternent entre des périodes de mesure, de traitement du signal, de communication et de veille. Le « duty cycle » ou « rapport cyclique » d’un capteur intégré HIKOB WISECOW désigne son taux d’activité hors période de veille. L’enjeu de consommation consiste donc à réduire le duty cycle, donc d’augmenter le temps d’endormissement pour économiser un maximum d’énergie. La maitrise complète des chaines d’acquisition et de la pile de communication radio permet d’optimiser le temps d’activité et de maximiser le temps d’endormissement.

Par ailleurs, le processus d’auto-organisation des communications vers un chemin optimal renforcé par la possibilité d’intervenir en soumettant une connexion préférentielle participe à construire des liens radio stables, condition sine qua non d’une consommation d’énergie maitrisée.

Les défis relevés par HIKOB POLAR STAR

Gestion dynamique du temps d’écoute (duty cycle)

HIKOB a investi un effort supplémentaire pour diminuer la consommation en énergie des capteurs intégrés HIKOB WISECOW. Avec HIKOB POLAR STAR, le protocole de communication adapte son « duty-cycle » en fonction de la connexion effective.

Pour fournir le niveau de service attendu dans le réseau sans fil, les équipements cherchent constamment à se connecter entre eux pour créer un lien de communication. L’établissement du lien de communication passe par un processus de synchronisation qui inclut une phase d’apprentissage de la dérive de temps entre les horloges des différents équipements. Par la suite, chaque communication contribuant à mieux appréhender cette dérive et donc à améliorer la synchronisation, le temps d’écoute des équipements peut être réduit tout en garantissant la bonne réception de communication.

La part du temps d’écoute est ainsi réduite pour augmenter la part du temps de veille d’où un gain conséquent en économie d’énergie.

Évolution du modèle de prédiction de l’autonomie

Tout l’enjeu d’un bon modèle de prédiction de l’autonomie réside dans la qualification fine des paramètres liés aux conditions météorologiques des sites où sont déployés les équipements.

Au fil des années, HIKOB a collecté des profils de températures réalistes issus des différents déploiements terrain. Des tests en chambre climatique ont par ailleurs permis de mesurer finement la consommation des équipements HIKOB INSTANT à différentes températures. Ce travail permet de construire des profils de consommation type différenciés.

Parallèlement, l’accumulation de l’expérience et des retours terrain a apporté à HIKOB une connaissance plus fine du phénomène d’autodécharge des piles. C’est ce processus empirique qui permet d’affiner davantage la précision des estimations d’autonomies annoncées pour chaque application.Ajusté au fil du temps, le modèle HIKOB d’estimation de l’autonomie des capteurs intégrés HIKOB WISECOW intègre un facteur péjorant qui a évolué de 25% à la hausse en 6 ans.

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