Tirer le meilleur parti de la collecte d'énergie
L'internet des objets (IdO, dispositifs en réseau tels que les capteurs intelligents), en plein essor, fonctionne grâce à des données. La détection, la communication et la collecte de grandes quantités de données sont au cœur de l'utilité de l'IdO : les réseaux mesurent des données (qu'il s'agisse d'enregistrer des activités humaines, de détecter des conditions environnementales ou autres), transmettent ces mesures au système central ou utilisent les données localement, et prennent éventuellement des mesures en réponse aux informations dont ils disposent. Mais la demande énergétique de ces réseaux pendant leur durée de vie est considérable. Cela signifie que l'alimentation de ces systèmes est un goulot d'étranglement majeur pour l'évolutivité, la durée de vie des réseaux et la durabilité.
Les systèmes traditionnels basés sur des batteries disposent d'une alimentation en énergie continue et stable... jusqu'à ce que les batteries s'épuisent. À mesure que le nombre d'appareils IdO connectés augmente, la nécessité de remplacer régulièrement les batteries implique une charge de coût croissante (non seulement sur le plan financier, mais aussi sur le plan environnemental), qui peut être inacceptable. Le branchement de nombreux petits appareils sur le câblage du bâtiment pose des problèmes similaires, car le nombre de prises nécessaires augmente, et les fils eux-mêmes sont coûteux, encombrants et esthétiquement déplaisants. En d'autres termes, l'installation est un problème majeur.
Une autre solution consisterait à ce que les nœuds IdO récupèrent l'énergie de leur environnement (par exemple, à l'aide d'un petit panneau solaire) pour s'alimenter eux-mêmes. Mais ce qui semble être une solution parfaite est loin d'être simple.
Une bonne récolte nécessite suffisamment de lumière
Dans un bureau classique, la lumière naturelle provenant des fenêtres peut ne pas pénétrer très loin dans la pièce, et certaines zones (comme les entrepôts) n'ont aucune lumière naturelle. Quant à la lumière artificielle, elle apparaît et disparaît en appuyant sur un interrupteur. Cela signifie que même si deux nœuds IdO ne sont séparés que de quelques mètres, ils peuvent disposer d'énergies très différentes, en récoltant plus ou moins d'énergie et à des moments différents. Ils peuvent stocker de l'énergie pour continuer à fonctionner pendant la nuit ou le week-end, mais ils adaptent toujours leur comportement à leur propre environnement changeant, ce qui peut affecter le réseau dans son ensemble.
Prenons l'exemple d'un immeuble de bureaux équipé de systèmes automatisés de contrôle de la température et de la qualité de l'air. Le système de contrôle comprend un réseau de nœuds de collecte d'énergie solaire installés dans tout le bâtiment, ainsi qu'une commande centrale toujours alimentée. Les nœuds mesurent la température locale et la qualité de l'air et communiquent les mesures à la commande centrale, qui règle le chauffage et la ventilation en fonction des données recueillies afin de garantir un climat confortable et sain.
Comme les capteurs sont alimentés par la lumière, ils sont limités dans le temps et la fréquence des mesures et des informations qu'ils peuvent fournir. Mais il y a des moments où il est plus important d'obtenir des mises à jour fréquentes (comme pendant les grandes réunions, lorsque la qualité de l'air se dégrade) et des moments où c'est moins important, comme pendant la nuit lorsque le bâtiment est vide.
La collecte de données n'est pas le seul défi ; une communication efficace en est un autre. La communication entre les nœuds et le système central sur de longues distances, par exemple entre les différentes pièces d'un bâtiment, nécessite beaucoup d'énergie, mais garantit qu'il est toujours possible pour les nœuds de communiquer avec le système central. En revanche, dans la communication multi-sauts, les nœuds s'appuient sur d'autres nœuds pour transmettre leurs données. Chaque nœud envoie son message aux nœuds proches, qui le transmettent à leur tour, et ainsi de suite jusqu'à ce que le message parvienne au bon destinataire. Mais que se passe-t-il si les nœuds qui transmettent ces paquets de données sont à court d'énergie ?
En raison de conditions imprévisibles, il est difficile de prévoir et de planifier quels nœuds auront de l'énergie à quel moment (ce qui les rendra disponibles pour transmettre des données). Il est donc difficile pour un nœud d'adapter son comportement, puisqu'il dépend des autres.
Ces domaines sont explorés par Naomi Stricker, chercheuse au PRN Automation. Avec ses collaborateurs, elle élabore des stratégies, co-conçoit du matériel et des logiciels, et développe des systèmes de communication pour surmonter les défis et permettre aux systèmes de récolte d'énergie d'être utilisés dans de nouvelles applications.
Ce que vous savez et quand vous en avez besoin
Le point essentiel, dans la conception de systèmes de contrôle parcimonieux avec des nœuds de collecte d'énergie, est la nécessité d'équilibrer les deux facteurs suivants : premièrement, quand et à quelle fréquence l'information est disponible (ce qui est bien sûr dicté par la disponibilité de l'énergie) ; et deuxièmement, quand cette information est nécessaire.
Cela signifie qu'il faut optimiser le calendrier des mesures en fonction de la quantité d'énergie disponible dans les nœuds de capteurs pour les mesures futures et de l'importance de ces informations. En d'autres termes, l'algorithme innovant évalue la disponibilité énergétique à long terme des nœuds de collecte d'énergie et programme le moment de la prochaine mesure en équilibrant cette disponibilité énergétique avec l'avantage que le système de contrôle tire de l'obtention d'informations à ce moment-là. Nos nouveaux travaux dans ce domaine permettent une intégration efficace des nœuds de capteurs à récupération d'énergie dans les boucles de contrôle en tenant compte à la fois de leurs limites énergétiques et de la qualité du contrôle.
Un autre aspect est la communication. Notre approche de routage dynamique tire le meilleur parti des ressources variables dont disposent les nœuds d'un réseau, en trouvant le chemin le plus efficace sur le plan énergétique en fonction de la disponibilité des nœuds. Les nœuds intermédiaires ne recevront des données que s'ils ont déjà été jugés actifs ; dans le cas contraire, la communication à longue distance entre en jeu. Dans ce cas, les nœuds communicants utiliseront plus d'énergie jusqu'à ce que d'autres nœuds intermédiaires soient en ligne.
En s'adaptant aux conditions changeantes, le système peut éviter à la fois de gaspiller de l'énergie pour les transferts de données à longue distance et de permettre des échecs et des retards de communication lorsque certains nœuds sont hors service. (Si seulement, en tant qu'humains, nous pouvions être aussi sûrs que notre public nous écoute avant de parler).
L'adoption d'une vision holistique des défis de la récolte d'énergie signifie que nous pouvons aborder divers sujets sous de nombreux angles. Nos recherches ont permis de mieux comprendre la fiabilité et la robustesse des nœuds de collecte d'énergie, d'améliorer les prévisions en matière de collecte d'énergie, d'élaborer de nouveaux concepts pour une communication efficace dans les réseaux de collecte d'énergie et de créer un cadre pour l'utilisation de nœuds de capteurs de collecte d'énergie dans les systèmes de contrôle.
La combinaison de tous ces éléments peut ouvrir la voie à de nouvelles applications évolutives en réseau, tout en rendant les applications existantes moins coûteuses et en réduisant leur impact sur l'environnement. Cela ouvre la voie à l'exploitation du plein potentiel de l'IdO à récolte d'énergie pour les villes durables et le développement industriel.
