Avec l'essor de l'Internet des objets (IoT), les attentes concernant les capteurs compatibles avec la technologie LPWA, capable de transmettre sans fil les données directement au cloud, augmentent. La création de systèmes exploitant cette technologie a engendré une forte demande pour le développement de dispositifs miniatures faciles à installer, alimentés par des cellules solaires pour plus de simplicité et de coût, et éliminant ainsi le besoin de remplacer les batteries.
Les laboratoires Fujitsu ont précédemment développé une technologie de contrôle de puissance (1) permettant d'alimenter une balise grâce à l'énergie fournie par une cellule solaire. Classiquement, les variations de puissance de la cellule solaire dues à la température étaient compensées par une augmentation de la taille des éléments de stockage d'énergie. Désormais, les laboratoires Fujitsu ont mis au point une technologie à haut rendement énergétique qui contrôle le temps de transmission du signal en fonction des variations de température mesurées par un capteur, réduisant ainsi de moitié la taille des éléments de stockage d'énergie nécessaires à la transmission du signal. Grâce à cette innovation, les laboratoires Fujitsu ont pu miniaturiser le dispositif à une taille de 82 x 24 x 6 mm, créant ainsi le plus petit capteur compatible LPWA au monde, sans nécessiter de batteries de rechange.Lors d'un test du capteur utilisant cette technologie, les laboratoires Fujitsu ont confirmé que les données de température et d'humidité collectées peuvent être transmises à une station de base Sigfox (2) à une distance d'environ 7 km. Puisqu'il est désormais possible d'acquérir des données mesurées même dans des endroits où l'accès à l'alimentation électrique et l'installation de câbles d'alimentation sont difficiles, grâce à la simple mise en place de ces capteurs, le déploiement et la gestion sans maintenance des systèmes IoT deviennent une réalité, accélérant ainsi le processus de numérisation sur site.
Contexte du développement :
L’adoption des systèmes IoT a progressé ces dernières années et l’on prévoit que d’ici 2020, des dizaines de milliards d’objets connectés seront reliés au cloud via des réseaux. Dans les systèmes IoT, les informations collectées par de multiples capteurs installés sur le terrain doivent être transmises et analysées dans le cloud. La technologie LPWA (Low Power Wireless Area Network) suscite un intérêt croissant en tant que technologie sans fil capable de transmettre des données directement vers le cloud avec une faible consommation d’énergie sur une vaste zone. Du point de vue de la praticité et du coût, la miniaturisation est prometteuse ; elle répond non seulement aux normes LPWA, mais utilise également des cellules solaires, éliminant ainsi le besoin de remplacement.
Les laboratoires Fujitsu ont précédemment développé une technologie de gestion de l'énergie utilisant des circuits miniatures capables de transmettre des données sans fil sur de courtes distances grâce au Bluetooth Low Energy (BLE). Cette technologie permet aux capteurs compatibles BLE de fonctionner sans remplacement de batterie, grâce à l'alimentation par cellules solaires, et d'activer de manière fiable un circuit sans fil en surveillant et en ajustant l'équilibre entre production et consommation d'énergie. Cependant
, les capteurs utilisant cette technologie antérieure ne sont pas compatibles avec le LPWA. En effet, le temps de transmission requis par le LPWA est nettement plus long qu'avec le BLE. Le LPWA transmet de petites quantités de données lentement afin de garantir la qualité du signal sur de longues distances. De ce fait, une seule transmission peut nécessiter une quantité d'énergie considérable, jusqu'à environ 1 500 fois supérieure à celle du BLE.
À propos de la nouvelle technologie développée
: Les laboratoires Fujitsu ont mis au point une nouvelle technologie de contrôle de puissance permettant de garantir la puissance de transmission tout en minimisant la taille du circuit. Les avantages de cette technologie sont les suivants :
1. Technologie de contrôle de puissance tolérante aux variations de température :
Les laboratoires Fujitsu ont développé une technologie de contrôle de puissance capable de réguler en temps réel la synchronisation des transmissions de signaux LPWA, en fonction des données de température collectées par un capteur. Grâce à cette technologie, les transmissions de signaux n'ont lieu que lorsque la tension d'activation, qui varie avec la température, atteint son maximum, afin d'éviter qu'elle ne descende en dessous de la tension de fonctionnement minimale du module LPWA (Figure 3). En optimisant l'utilisation de l'énergie, il est possible de tolérer les variations de puissance consommée par le circuit sans fil ou d'énergie produite par les cellules solaires dues à la température. Ceci élimine le besoin d'éléments de stockage d'énergie supplémentaires, auparavant nécessaires pour répondre aux besoins en puissance.
2. Technologie de surveillance énergétique pour une activation fiable du capteur de température.
Pour un fonctionnement fiable, la technologie de contrôle de l'alimentation doit permettre une activation continue et fiable du capteur de température avec une consommation d'énergie minimale. Afin de répondre à ce besoin, les laboratoires Fujitsu ont développé une technologie de surveillance énergétique qui analyse les variations de tension de l'alimentation et évalue avec précision si l'énergie stockée est suffisante pour le fonctionnement du capteur de température. Cette technologie permet d'éviter les arrêts intempestifs du capteur en optimisant la consommation d'énergie en fonction de la température.
Effets :
Cette technologie a été mise en œuvre à l'aide de Sigfox, une norme LPWA, permettant la création du plus petit capteur au monde (82 x 24 x 6 mm) compatible avec les communications LPWA sans remplacement de batterie. Les laboratoires Fujitsu ont vérifié la transmission des données de température et d'humidité toutes les dix minutes, pendant sept jours, directement vers une station de base située à environ 7 km, dans un environnement bénéficiant d'un éclairage de 4 000 lux. Ils ont également vérifié la visualisation des données via la plateforme Fujitsu Cloud Service K5 IoT, service d'exploitation des données IoT de Fujitsu Limited, certifiée Sigfox Ready Program pour IoT PaaS (Figure 5).
Ainsi, les données des capteurs peuvent être facilement acquises dans le cloud par simple configuration des dispositifs, même dans des endroits où l'alimentation électrique est difficile à obtenir ou à installer. Cette solution simplifie l'installation et la gestion des systèmes IoT et accélère la numérisation sur le terrain.
Projets futurs :
Fujitsu Laboratories poursuivra les essais sur le terrain pour évaluer l’utilisation concrète de ces capteurs, en intégrant cette technologie à la plateforme IoT Fujitsu Cloud Service K5 et aux solutions de capteurs de Fujitsu Frontech Limited, sous forme d’objets connectés, avec pour objectif une commercialisation au cours de l’exercice 2018. Par ailleurs, nous continuerons à développer des technologies de miniaturisation des capteurs.
Commentaire de Yoshihito Kurose, président de KYOCERA Communication Systems Co., Ltd. (KCCS) :
Face à la croissance attendue de l’Internet des objets (IoT), KCCS prévoit le développement de solutions exploitant la faible consommation du réseau Sigfox dans de nombreux secteurs. KCCS est convaincue que le développement par Fujitsu Laboratories Ltd. d’un capteur ne nécessitant pas de recharge par batterie solaire favorisera l’adoption de Sigfox non seulement au Japon, mais aussi dans le monde entier. En tant qu’opérateur Sigfox au Japon, KCCS collabore avec Fujitsu Laboratories Ltd. et d’autres partenaires afin de permettre la connexion de tous les objets au réseau Sigfox et de contribuer à la construction d’une société plus sûre et plus agréable à vivre.
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• [1] Développement de la technologie de contrôle de l'alimentation :
Fujitsu développe la première balise de support IoT flexible du secteur ne nécessitant pas de remplacement de batterie (Communiqué de presse, 25 mars 2015) http://www.fujitsu.com/global/about/resources/news/press-releases/2015/0325-02.html
• [2] Sigfox
Ltd. est le seul fournisseur de services réseau au Japon.
