Récupération d'Energie Biomécanique et Systèmes Autonomes

National audienceLa récupération d'énergie (Energy Harvesting) est une thématique en plein essor visant à utiliser l'énergie ambiante (lumière, vibrations, gradients thermiques) présente dans l'environnement direct de dispositifs électroniques (capteurs, équipements mobiles) pour les alimenter, de façon à prolonger leur durée de fonctionnement, voire à les rendre totalement autonomes. La récupération d'énergie est généralement mise en œuvre pour alimenter de petits systèmes électroniques tels que des capteurs autonomes communicants pour le transport, l'industrie ou l'habitat du fait des puissances récupérées assez faibles; appliquée au cas de l'Homme, la récupération d'énergie peut atteindre des puissances de plusieurs milliwatts voire de plusieurs watts permettant d'alimenter des systèmes plus complexes tels que des lecteurs MP3, des téléphones portables ou des systèmes de localisation GPS. De nombreuses sources d'énergie présentes dans l'environnement de l'Homme peuvent être exploitées: le soleil, le gradient thermique entre la peau et l'extérieur, la déformation des vêtements, les contraintes dans les chaussures... . Cet article se focalise plus particulièrement sur la récupération d'énergie mécanique issue du corps humain et présente des exemples de dispositifs et d'applications issus de l'état de l'art montrant que la récupération d'énergie est déjà une réalité; et qu'elle permettra sur le plus long terme d'alimenter des dispositifs placés directement à l'intérieur du corps humain tels que des implants médicaux ou des pacemakers

Étude des phénomènes physiques utilisables pour alimenter en énergie électrique des micros-systèmes communicants

D'ici quelques années, des capteurs de toutes sortes vont envahir notre environnement. Cette multiplication à grande échelle des capteurs n'est toutefois possible que si, d'une part, ils communiquent sans fil et, d'autre part, ils sont entièrement autonomes du point de vue énergétique. Concernant les systèmes de communication, beaucoup de progrès et de normes sont apparus ces dernières années. La technologie semble être au point, même si des améliorations en terme de consommation sont encore possibles. Quant à l'autonomie énergétique, elle pose actuellement un véritable problème à cause de la durée limitée des piles ou batteries, sans compter leurs problèmes de pollution. L'idée est donc de récupérer l'énergie (mécanique, thermique, chimique ou rayonnante) qui entoure les capteurs pour les alimenter afin de les rendre autonome sur toute leur durée de vie. Suite à une importante étude bibliographique, nous nous sommes orientés vers la récupération de l'énergie de vibrations mécaniques. Une campagne de mesure nous a alors permis d'évaluer l'énergie disponible dans un certain nombre d'environnements et de dimensionner un système qui permette de convertir sur une large bande de fréquences cette énergie mécanique en énergie électrique. Nous avons alors initialisé deux réalisations; une première macroscopique en tungstène validant le concept et une deuxième en technologie silicium permettant de miniaturiser le récupérateur d'énergie afin de le rendre compatible avec les dimensions des capteurs à alimenter. Les premiers essais avec la structure en tungstène ont montré la possibilité de récupérer environ 480 W pour une excitation à 50 Hz et d'amplitude 80 m.GRENOBLE1-BU Sciences (384212103) / SudocSudocFranceF

Solar energy harvesting and storage modeling for communicating sensors

International audienceNowadays, researchers aim to develop entirely autonomoussensors. By ensuring an important autonomy, theuse of batteries solves a part of the energy problem. However,it introduces many problems such as maintenance andenvironmental pollution. Solar energy harvesting constitutes anattractive solution to provide energy for communicating object.Our objective is to provide an autonomous sensor based ona solar energy harvesting system that can be used in variousapplications. In this paper we present a new model to performthis characterization. First, the solar panel modeling through thecharacterization of photo-voltaic solar cell is analyzed. Then, amodel to quantify the incident solar energy amount is proposed.In this work, we use a database showing the illuminationevolution as a function of time. Furthermore, we present theconversion and storage models of the harvested energy. Finally,solar energy measurements are carried out and validated. Thework is realized in collaboration with CEA Tech, CEA Leti andEolane

Solar energy harvesting and storage modeling for communicating sensors

International audienceNowadays, researchers aim to develop entirely autonomoussensors. By ensuring an important autonomy, theuse of batteries solves a part of the energy problem. However,it introduces many problems such as maintenance andenvironmental pollution. Solar energy harvesting constitutes anattractive solution to provide energy for communicating object.Our objective is to provide an autonomous sensor based ona solar energy harvesting system that can be used in variousapplications. In this paper we present a new model to performthis characterization. First, the solar panel modeling through thecharacterization of photo-voltaic solar cell is analyzed. Then, amodel to quantify the incident solar energy amount is proposed.In this work, we use a database showing the illuminationevolution as a function of time. Furthermore, we present theconversion and storage models of the harvested energy. Finally,solar energy measurements are carried out and validated. Thework is realized in collaboration with CEA Tech, CEA Leti andEolane

Gestion d'énergie d'un capteur communicant en LoRa

National audienceUne grande partie des objets connectés ne pourra se développer que s’il est possible de les rendre entièrement autonomes sur le plan énergétique. Même si l’utilisation des batteries ou des piles résout une partie de ce problème en assurant une autonomie qui peut être importante avec des coûts relativement faibles, elle introduit non seulement des soucis de maintenance incompatibles avec certaines applications, mais aussi des problèmes de pollution. La récupération d’énergie thermique, mécanique, électromagnétique, solaire ou éolienne est une solution très prometteuse mais dont l'efficacité dépend fortement de l'environnement et peut varier de façon périodique ou aléatoire. Il parait alors important d’adapter le système (mesure et transmission d’information) aux contraintes de la récupération d’énergie. L’objectif de ce travail est de proposer une solution de capteur autonome basée sur un système de récupération et de gestion multi-source d’énergies (solaire et éolienne) et pouvant être mise en oeuvre dans différentes classes d’applications. On s’intéresse, dans un premier temps, à la modélisation et l’optimisation de la consommation du noeud capteur. Ensuite, on modélise le système de récupération multiple. Puis, on se focalise sur le management de puissance du système autonome. Ce management est basé sur des prédictions de l’énergie disponible et de celle consommée. Enfin, le travail de modélisation et d’optimisation est validé par des expérimentations sur un démonstrateur de Capteur Communicant Autonome en Énergie

Energy consumption modeling for communicating sensors using LoRa technology

International audienceSensor nodes are typically powered by a chemicalbattery source that has a finite lifetime. To design an energyefficient self powered node, it is important to model the energyconsumption of the wireless sensor. This paper describesan energy consumption model which is used to analyze nodeautonomy. This model allows to estimate the power consumptionof each element of the sensor node. The definition of the differentnode units is first introduced. Then, a complete energy model forsensor node is derived using LoRa (Long Range Communication)technology

Caractérisation de la récupération de l’énergie solaire pour les capteurs communicants

National audienceNowdays, researchers aim to develop entirely autonomous sensors. Even if the use of batteries resolve a partof the energy problem by ensuring an important autonomy, it introduces many problems such as maintenance andenvironmental pollution. Solar harvesting energy, then constitutes a very attractive solution although the low quantity ofenergy obtained. Our goal is to provide an autonomous sensor based on a harvesting system of solar energy which can beused in various applications. In this article we present a study to perform this characterization.We look first at the solarpanel modeling through the characterization of photovoltaic solar modules. Next, we propose to model and quantify theincident solar energy amount. In this study, we used databases that show the illumination evolution as a function of time.Finally, solar energy measurements were carried out and validated.Une grande partie des nouvelles générations d’objets connectés ne pourra se développer que s’il est possiblede les rendre entièrement autonomes sur le plan énergétique. Même si l’utilisation de batteries ou de piles résout unepartie de ce problème en assurant une autonomie qui peut être importante, elle introduit de très nombreux problèmestels que la maintenance incompatible avec certaines applications et la pollution de l’environnement. La récupérationde l’énergie solaire, constitue alors une solution très attractive bien que la quantité d’énergie obtenue soit généralementassez faible. Notre objectif est de proposer une solution de capteur autonome basée sur un système de récupérationd’énergie solaire et pouvant être mise en oeuvre dans différentes applications. Nous présentons dans cet article une étudepermettant d’effectuer cette caractérisation. On s’intéresse tout d’abord à la modélisation du panneau solaire à travers lacaractérisation des modules solaires photovoltaïques. Ensuite, on se propose de modéliser et estimer la quantité d’énergiesolaire incidente. Dans cet étude, nous avons utilisé des bases de données qui montrent l’évolution de l’éclairement enfonction du temps. Enfin, des mesures d’énergie solaire ont été réalisées puis validées

A novel solar energy predictor for communicating sensors

International audienceSolar energy harvesting constitutes an attractive solution to provide energy for communicating objects. Theadvantage of this energy over other forms of renewable energy is that the available solar power can be predicted withreasonable accuracy, which allows the implementation of efficient power management techniques. Nevertheless, harvestedsolar energy comes from a non-controllable source. Therefore, the prediction of the solar radiation and energy availability is acritical issue, as the amount of the harvested energy may vary over time. In this study, a novel solar radiation and energypredictor (Solar Energy Predictor for Communicating Sensors: SEPCS) is proposed. This prediction model uses past energyobservations to forecast future energy availability in short term. To assess the performance of the proposed algorithm, authorsused database providing the solar radiation evolution for one year. Then, a comparative performance evaluation shows that theSEPCS predictor significantly outperforms the state-of-the-art energy predictors, by decreasing the average prediction errorfrom 28 to 6.5%

Energy Consumption Model for Sensor Nodes Based on LoRa and LoRaWAN

Energy efficiency is the key requirement to maximize sensor node lifetime. Sensor nodes are typically powered by a battery source that has finite lifetime. Most Internet of Thing (IoT) applications require sensor nodes to operate reliably for an extended period of time. To design an autonomous sensor node, it is important to model its energy consumption for different tasks. Each task consumes a power consumption amount for a period of time. To optimize the consumed energy of the sensor node and have long communication range, Low Power Wide Area Network technology is considered. This paper describes an energy consumption model based on LoRa and LoRaWAN, which allows estimating the consumed power of each sensor node element. The definition of the different node units is first introduced. Then, a full energy model for communicating sensors is proposed. This model can be used to compare different LoRaWAN modes to find the best sensor node design to achieve its energy autonomy