L’Internet des objets (IoT) est en pleine expansion, avec des milliards de dispositifs connectés attendus d’ici la fin de la décennie. Cependant, cette prolifération pose un défi majeur : comment alimenter tous ces dispositifs de manière durable et efficace ?
La réponse réside peut-être dans l’energy harvesting, un procédé qui permet de collecter l’énergie environnante pour alimenter des dispositifs électroniques. Cet article explore comment l’energy harvesting peut révolutionner l’IoT, en assurant une alimentation continue et durable.
Qu’est-ce que l’energy harvesting ?
L’energy harvesting désigne l’ensemble des méthodes permettant de collecter des petites quantités d’énergie à partir de sources environnantes telles que la lumière, la chaleur, les vibrations, les ondes radio ou encore le mouvement. Contrairement aux systèmes traditionnels alimentés par des batteries ou le réseau électrique, l’énergie récoltée est directement stockée ou utilisée pour alimenter des dispositifs à faible consommation.
Comment fonctionne un capteur IoT grâce à l’energy harvesting ?
Le fonctionnement d’un capteur IoT alimenté par energy harvesting repose sur plusieurs étapes clés qui intègrent la collecte, la gestion et l’utilisation de l’énergie pour assurer son fonctionnement. Voici une vue d’ensemble de son fonctionnement :
1. Collecte de l’énergie
Le capteur intègre un module de récupération d’énergie conçu pour capter l’énergie de l’environnement à partir d’une ou plusieurs sources :
- Énergie solaire : Des cellules photovoltaïques captent la lumière ambiante, souvent utilisée pour des capteurs extérieurs.
- Énergie vibratoire ou mécanique : Un dispositif piézoélectrique convertit les vibrations en énergie électrique, par exemple à partir de machines en fonctionnement.
- Énergie thermique : Un générateur thermoélectrique convertit une différence de température en courant électrique.
- Énergie électromagnétique : Des antennes captent l’énergie des ondes radio (Wi-Fi, RF) et la transforment en électricité.
2. Stockage et gestion de l’énergie
L’énergie récupérée est généralement faible et fluctuante. Elle est donc stockée dans un dispositif à faible capacité comme :
- Un supercondensateur pour des décharges rapides et courtes.
- Une petite batterie rechargeable pour stocker de l’énergie sur une plus longue durée.
Un circuit de gestion de l’énergie (PMU – Power Management Unit) régule cette énergie, assurant qu’elle est stockée de manière optimale et délivrée efficacement aux composants du capteur en fonction des besoins.
3. Fonctionnement par cycles (Duty Cycling)
- Phase de sommeil (Sleep Mode) : Le capteur reste inactif pour économiser l’énergie.
- Réveil périodique : Lorsque suffisamment d’énergie est accumulée, le capteur se réveille pour exécuter ses tâches.
- Prise de mesure : Le capteur collecte les données (par exemple, température, vibration, qualité de l’air).
- Traitement et communication : Les données sont traitées localement puis transmises à une passerelle ou à un serveur distant via un protocole de communication basse consommation (comme LoRa, Sigfox, Zigbee).
- Retour en mode veille : Une fois les tâches accomplies, le capteur retourne en veille pour économiser l’énergie.
4. Optimisation énergétique
Pour maximiser l’efficacité, le capteur utilise des composants optimisés pour la faible consommation :
- Microcontrôleur à très faible consommation : Les microcontrôleurs (MCU) utilisés dans ces dispositifs sont conçus pour consommer le minimum d’énergie en mode actif et encore moins en veille.
- Modules de communication basse énergie : Les technologies sans fil utilisées sont celles qui consomment le moins d’énergie possible (BLE, NB-IoT, LoRa), avec des protocoles optimisés pour les courtes transmissions.
L’impact de l’energy harvesting sur l’IoT
L’energy harvesting est une technologie prometteuse pour l’IoT, mais elle n’est pas encore très répandue à grande échelle, du moins pas de manière généralisée. Son utilisation reste très ciblée dans des cas où l’autonomie des objets connectés est critique. Néanmoins, ce procédé d’alimentation autonome comporte de nombreux avantages pour l’IoT ce qui devrait contribuer à son développement lors des prochaines années.
1. Autonomie prolongée des dispositifs
L’une des principales contraintes des dispositifs IoT est la durée de vie limitée des batteries. L’energy harvesting permet d’augmenter considérablement cette autonomie, voire de rendre certains dispositifs entièrement autonomes.
2. Réduction des coûts de maintenance
Le remplacement des batteries dans les dispositifs IoT, souvent situés dans des endroits difficiles d’accès, peut être coûteux et complexe. En exploitant l’énergie environnante, les coûts et les efforts liés à la maintenance sont drastiquement réduits.
3. Applications dans les environnements hostiles
Le remplacement des batteries dans les dispositifs IoT, souvent situés dans des endroits difficiles d’accès, peut être coûteux et complexe. En exploitant l’énergie environnante, les coûts et les efforts liés à la maintenance sont drastiquement réduits.
4. Durabilité environnementale
En réduisant la dépendance aux batteries chimiques et en exploitant des sources d’énergie renouvelables, l’energy harvesting contribue à la réduction des déchets électroniques et à la promotion d’une technologie plus verte.
Défis et solutions
Malgré ses nombreux avantages, l’energy harvesting n’est pas sans défis. La quantité d’énergie récupérée peut être faible et variable, nécessitant des solutions innovantes pour stocker et gérer cette énergie efficacement.
1. Stockage d’énergie
Les supercondensateurs et les batteries rechargeables sont utilisés pour stocker l’énergie récupérée, mais leur capacité et leur durée de vie doivent être optimisées.
2. Gestion de l’énergie
Des circuits de gestion de l’énergie sophistiqués sont nécessaires pour maximiser l’efficacité de la conversion et de l’utilisation de l’énergie récoltée.
3. Miniaturisation
Les dispositifs de récupération d’énergie doivent être suffisamment petits pour être intégrés dans les dispositifs IoT sans compromettre leur performance ou leur coût.
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Innovations et perspectives d’avenir
Les avancées récentes dans les matériaux et la technologie promettent de surmonter ces défis. Par exemple, les nanogénérateurs piézoélectriques et triboélectriques ouvrent de nouvelles possibilités pour la capture de l’énergie cinétique à petite échelle. De même, les progrès dans les matériaux photovoltaïques flexibles et les dispositifs thermoélectriques offrent des solutions plus efficaces et plus intégrables pour l’energy harvesting.
Conclusion
En résumé, l’energy harvesting est encore une niche, mais il est de plus en plus exploré dans des applications où l’autonomie et la réduction des coûts de maintenance sont cruciales. Sa généralisation dépendra de la maturité technologique et de la baisse des coûts, mais les tendances actuelles indiquent une adoption croissante, en particulier pour les capteurs autonomes dans l’IoT industriel et les environnements difficiles.
Reda ARIFI
Ingénieur électronique
Reda est diplômé en microélectronique et automatique (MEA) de Polytech Montpellier. Lors de son stage de fin d’études chez ELA Innovation, il a développé un prototype de tracker IoT multitechnologie associant Bluetooth Low Energy et LoRaWAN, une expérience qui a facilité son intégration réussie dans l’équipe. Aujourd’hui, il participe activement au développement des nouveaux beacons et solutions IoT, tant sur le design électronique que sur le logiciel embarqué.. Curieux et passionné par les nouvelles technologies, il s’intéresse tout particulièrement aux objets connectés et à leurs applications dans le monde industriel.
