P32 Récupération d'énergie pour balise BLE

Objectif

Mon projet consiste à réaliser un système électronique autonome, composé de différents capteurs et capable de recueillir et de transmettre les données mémorisées vers un système centralisé.

Etude préalable

L’énergie est le point de difficulté dans la réalisation de ce projet. Chaque élément devra être choisi non seulement pour ses performances mais également pour sa faible consommation.

Organisation générale

Le système est organisé autour d’une source d’énergie, d’un contrôleur, de capteurs, de mémoire et d’un protocole de communication.

On cherche à minimiser l'énergie consommée par l'ensemble du système.

Architecture

Chaine de l’énergie

L’énergie pour ce module autonome est constituée de quatre phases importantes :

La récupération de l'énergie dans l'environnement

Il existe de nombreux moyens pour récupérer de l'énergie dans l'environnement. L'objectif est de trouver les sources les plus adaptées à l'environnement de l'application recherchée.

On peut citer:

• La récupération de l'énergie par différence de température

• Les panneaux photovoltaïques

• La récupération de l'énergie des ondes radio

• La Piézoélectricité

Dans ce projet nous utiliserons la piézoélectricité, le module de récupération ayant déjà fait partie d'une étude de IRCICA précédent le projet.

Le stockage de l’énergie

Le choix du système de stockage de l'énergie constitue une partie importante de la réalisation du système. La problématique de cette partie sera de déterminer quel type de stockage nous utiliserons : batterie, super-capacité ou un hybride et de les dimensionner. Il faudra tenir compte des problèmes de décharge partielle influent sur la durée de vie du stockage.

Le management/mise en forme de l’énergie

L'objectif de cette partie est d'étudier la nécessité de la mise en place d'une régulation tout en préservant des contraintes de consommation très faibles.

L'utilisation de l'énergie mise en forme

On cherche à minimiser l'énergie consommée par l'ensemble du système.

Contrôleur

Le microprocesseur : il existe différents types de microprocesseurs. L'objectif est de choisir un support capable de consommer un minimum d'énergie tout en conservant une taille minimale. Nous avons déjà utilisé dans d'autres projets des micro-contrôleurs de type Arduino et Raspberry pie. Ceux-ci ont pour avantage d’être prêts à l'emploi et faciles de prise en main. On peut s’orienter également vers un contrôleur ultra low power comme le STM32L4.

	Consommation	Facilité de développement	Miniaturisation
Arduino	faible à très faible	bonne	faible
Raspberry pi	importante	très bonne	très faible
Ultra low power	très, très faible	difficile	forte

Capteurs

On peut imaginer différents types de capteurs :

• Accéléromètre

• Gyroscope

• Pression atmosphérique et altitude

• Température

• GPS

Mémoire

Le système doit être autonome et donc conserver un minimum de mesures pour les cas où la connexion est impossible. La mémoire doit être dimensionnée en fonction du nombre de capteurs, l’intervalle d’acquisition et le temps maximum avant connexion au système centralisé.

Protocole de communication

Un protocole de communication : dans un premier temps, nous nous concentrons sur le protocole BLE (Bluetooth Low Energie). Ce protocole étant standardisé, il nous permettra de recueillir de la documentation et réaliser des tests de consommation rapides.

Planning prévisionnel

Suivi de l'avancement du Projet

Semaine 1 (28/09/2015)

• Rencontre avec Monsieur Boe et Monsieur Giraud

• Présentation du projet

• Recherche documentaire

• Etablissement du cahier des charges

Semaine 2 (05/10/2015)

Recherche documentaire sur la consommation estimée des différents éléments.

Contrôleur	Consommation Active	Consommation Inactive	Prix
Arduino Pro Mini 328	7mA (1 capteur)	4.5µA	Disponible
STM32L4 Series (STM32L476JE)	100 μA/MHz	120 nA	$5
Raspberry	200mA	200mA	Disponible

Module BLE	Consommation	Options d'alimentation	Prix
BLE Mini	15 mA	3.4V à 11V VIN / 5V USB / Coin Cell Battery (2025 or 2032) / 3.7V Li-ion Battery	$17

• Le système Mini Arduino/ BLE Mini me semble être un bon compromis entre facilité d’intégration, consommation d'énergie et miniaturisation du système. (Choix à discuter à la réunion du Merdredi 07/10)
• Choix du module RFduino

Capteurs	Modèle	Alimentation min/max	Prix
Température	TMP36GT9Z	2.7V/5.5V	1,46 €
Accéléromètre	ADXL345BCCZ	2V/3.6V	5,54 €
Gyroscope+Accéléromètre	MPU-6050	2.5V/3.6V	15,73 €
Pression atmosphérique / Altitude	MPL3115A2	1.95V/3.6V	2,65 €

• Pour minimiser les pertes on cherche a travailler avec une tension d'alimentation la plus faible possible. Je propose de travailler avec une tension d'alimentation de 3,3V (Validé à discuter à la réunion du Merdredi 07/10)

• Le système de récupération d'énergie fonctionnant sur la base d'un mouvement, j'ai choisi l'ensemble des capteur ci dessus qui me semble être adapté à l'intégration dans un système en mouvement. (Validé à discuter à la réunion du Merdredi 07/10)

• Récupération des modules RFduino, prise en main

Semaine 3 (12/10/2015)

• Installation des librairies

• Visualisation d'exemples

• Tests d'implantation du code source du projet P14: Aimant intelligent de la session IMA4: 2014/2015

• Optimisation du code pour la réduction de la consommation d'énergie

• Recherches sur d'autres composants dans l'optique d'une consommation toujours plus faible

Capteurs	Modèle	Alimentation min/max	Prix	Consommation (typ/max)
Température	STLM20W87F	2.4V/5.5V	0,775 €	4.8 μA/8.0 μA

Calcul théorique de la consommation énergétique du module BLE + RFD22301

Mode "endormi" : ARM CPU Running Current + Output standard drive current = 4 + 0.5 = 4.5mA

Mode "acquisition": ARM CPU Running Current + Output high drive current = 5 + 4 = 9mA

Mode "transmission" : ARM CPU Running Current + Transmit Current + Output standard drive current = 4 + 0.5 + 12 = 16.5mA

http://www.rfduino.com/wp-content/uploads/2014/03/RFD22301.Data_.Sheet_.11.24.13_11.38PM.pdf

Code possible du mode "endormi"

   pinMode(5, INPUT);
   RFduino_pinWake(5, HIGH);
   
   
   RFduino_ULPDelay(INFINITE);
   if (RFduino_pinWoke(5))
   {
   state = ! state;
   RFduinoGZLL.sendToHost(state);
   }

http://forum.rfduino.com/index.php?topic=385.0

Annexes

Consommation du STM32L4 Series : http://www.st.com/web/en/catalog/mmc/FM141/SC1169/SS1580?sc=stm32l4

Réduction de la consommation de l'Arduino : http://www.home-automation-community.com/arduino-low-power-how-to-run-atmega328p-for-a-year-on-coin-cell-battery/

Consommation Raspberry : https://www.raspberrypi.org/help/faqs/

Module BLE : http://redbearlab.com/blemini/

Accéléromètre : http://fr.farnell.com/analog-devices/adxl345bccz/accelerometre-3-axes-14lga/dp/1853935

Capteur température : http://fr.farnell.com/analog-devices/tmp36gt9z/capteur-temp-to-92-3/dp/1438760?ost=TMP36GT9Z ou http://fr.farnell.com/stmicroelectronics/stlm20w87f/capteur-de-temperature-analog/dp/1391131

Accéléromètre + Gyroscope : http://fr.farnell.com/invensense/mpu-6050/gyroscope-accelero-6-axes-i2c/dp/1864742

Altimètre : http://fr.farnell.com/freescale-semiconductor/mpl3115a2/pressure-sensor-20-110kpa-8lga/dp/2009084?ost=MPL3115A2&categoryId=700000004367