Un réseau de capteurs sans fil télé-alimentés en énergie
Conçu pour la surveillance de structures en béton armé, le réseau de capteurs sans fil du Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes est alimenté en énergie par des ondes radiofréquences. Il s'affranchit ainsi des batteries, qui ont une durée de vie limitée et nécessitent une maintenance coûteuse. La conception et le test du nouveau réseau sont détaillés dans un article de l’IEEE Internet of Things Journal.
Des réseaux de capteurs sans fil sont développés depuis des décennies, en particulier pour contrôler et surveiller l'intégrité de bâtiments ou de grandes structures de génie civil. Mais quelle que soit l'application visée, leur déploiement est fortement limité par leur manque d’autonomie en énergie. Le plus souvent, les capteurs sont alimentés par des batteries, dont la durée de vie est relativement courte, qui nécessite une maintenance coûteuse, et qui ont un impact sur l'environnement. Une autre solution consiste à récolter de l'énergie ambiante (énergie solaire, vibrations, chaleur...). Mais ces sources d'énergie sont par nature fluctuantes, imprévisibles et incontrôlables.
Pour s'affranchir de ces contraintes, des chercheurs de l’équipe MINC (Micro- et Nano-systèmes pour les Communications sans fil) du LAAS-CNRS ont développé un dispositif de télé-alimentation par transfert sans fil de puissance électromagnétique rayonnée (WPT – Wireless Power Transfer). Autrement dit, le transfert de puissance à l’aide d’ondes radiofréquences. Dans le cadre du projet ANR McBIM (Matériaux communicants au service du Building Information Modelling (BIM)), des capteurs sans fil, sans batterie, télé-alimentés et télécontrôlés, ont été conçus pour être enfouis dans du béton armé. L'objectif est de surveiller, par des mesures non-destructives, l’état de santé des structures durant des décennies. La solution proposée repose sur la récupération de la puissance électromagnétique générée par une source radiofréquence, et le stockage électrostatique dans une supercapacité ayant une durée de vie estimée supérieure à un million de cycle de charges et décharges.
Le réseau est constitué de nœuds de communication, assurant le contrôle de plusieurs nœuds de mesure et leur alimentation en énergie. Ces derniers peuvent être équipés de capteurs de température, d'humidité, de déformation et de résistivité électrique (qui caractérise le taux de corrosion). L'innovation majeure du système est d'équiper les nœuds de mesure d'une seule antenne pour assurer simultanément le transfert sans fil d’informations et de puissance, sans interférences. Ce qui permet de réaliser des équipements plus compacts. Les tests réalisés, avec des capteurs logés dans des structures en béton (sous des épaisseurs d’environ 15 cm, et plus), ont montré que la télé-alimentation en énergie fonctionnait jusqu'à une distance d’au moins 11 mètres, pour des systèmes de taille réduite et en accord avec les réglementations propres aux télécommunications (puissance émise de 2 W à 868 MHz, équivalente à celle d’un lecteur de cartes RFID).
De nouveaux développements sont envisagés pour améliorer les performances. Et d'autres applications d'un réseau de capteurs sans fil télé-alimentés sont à l'étude, notamment dans le domaine médical (capteur de pression intracrânien sans fil).
© Gaël Loubet, LAAS-CNRS
© Gaël Loubet, LAAS-CNRS
Références
Autonomous Industrial IoT for Civil Engineering Structural Health Monitoring.
G. Loubet, A. Sidibé, P. Hérail, A. Takacs, et D. Dragomirescu.
IEEE Internet of Things Journal, publié le 03/10/2023.
https://doi.org/10.1109/JIOT.2023.3321958
Article consultable sur la base d’archives ouvertes HAL