Réseaux de capteurs sans fil autonomes pour la fabrication de matériaux communicants. Application au domaine du génie civil.

Autonomous wireless sensor networks for the implementation of communicating materials. Application to civil engineering industry

• Auteur / Autrice : Gaël Loubet
• Direction : Daniela Dragomirescu, Alexandru Takacs
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : MicroNano Systèmes
• Date : Soutenance le 24/09/2021
• Etablissement(s) : Toulouse, INSA
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Génie électrique, électronique, télécommunications et santé : du système au nanosystème (Toulouse)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LAAS - Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des Systèmes - Laboratoire d'analyse et d'architecture des systèmes / LAAS
• Jury : Président / Présidente : Ke Wu
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniela Dragomirescu, Alexandru Takacs, Nuno Borges De Carvalho, Alessandra Costanzo, Florin Udrea, Vincent Le Cam
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Nuno Borges De Carvalho, Alessandra Costanzo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Génie civil

Transfert d'énergie sans fil

Réseaux de capteurs (technologie)

Mots clés libres

Matériaux communicants

Réseaux de capteurs sans fil

Récupération d'énergie ambiante

Transfert d'énergie sans fil

Communications sans fil

McBIM - Matière Communicante au service du BIM (Building Information Modelling)

Communicating materials

Wireless sensor networks

Ambient energy harvesting

Wireless Power Transmission

Wireless communications

McBIM - Material Communicating with the BIM (Building Information Modelling)

Résumé

Les "matières communicantes" sont des matériaux intrinsèquement capables de générer, traiter, stocker et échanger de l’information. Elles ont la capacité de quantifier leur environnement et leur propre état à travers la mesure de divers paramètres physiques. Ce concept a été appliqué au domaine de la construction avec un prototype basé sur un ensemble d’étiquettes RFID enfouies dans du béton. Cependant, ces étiquettes sont limitées en termes de mesure, de traitement, de mémoire et de communication sans fil (communications de courte portée et sur demande d’un lecteur). Parallèlement, les données et modèles issus du BIM (Building Information Modeling) sont très souvent cloisonnés dans la phase de conception et ne sont ni réutilisés, ni accessibles pour les acteurs en aval. La proposition du projet ANR McBIM (Matière Communicante au service du BIM) consiste en concevoir un "béton communicant" fait de béton armé, équipé avec un réseau de capteurs sans fil enfouis capable de mesurer les paramètres de la structure et de transmettre les données vers des plateformes BIM. Ces données peuvent être mesurés et utilisés durant tout le cycle de vie des composants, notamment à des fins de suivi de l’état de santé des structures.Cette thèse de doctorat, inscrite dans le cadre du projet ANR McBIM, a comme objectif la conception d’un réseau de capteurs sans fil enfoui dans du béton permettant de rendre cette structure communicante durant toute sa vie. Afin de mener à bien ce projet, une cartographie de l’existant a été menée qui concerne :- les bétons "intelligents" ;- les paramètres pertinents dans le suivi de l’état de santé du béton armé, ainsi que leurs méthodes de mesure ;- les technologies de communications sans fil entre machines dans des milieux électromagnétiquement contraints ;- et les techniques permettant l’autonomie d’énergie des réseaux de capteurs sans fil.Une architecture à deux niveaux a été proposée pour la conception du réseau de capteurs sans fil : un réseau maillé de nœuds communicants, accessibles de l’extérieur et alimentés, permettant de récupérer, stocker et transmettre les données issues de la caractérisation du béton vers une base de données via Internet afin notamment de permettre la conception d’un jumeau numérique de la construction ; et des réseaux en étoile de nœuds capteur sans fil enfouis dans le béton armé, qui ont pour objectif de mesurer et transmettre à chaque nœud communicant environnant des données concernant l’environnement et les propriétés du béton armé. Devenant inaccessibles une fois enfouis, ces nœuds capteur sans fil se doivent d’être autonomes en énergie durant toute leur durée de vie. Pour permettre cela, un système de transfert d’énergie électromagnétique radiative sans fil a été conçu afin d’alimenter les nœuds capteur depuis les nœuds communicants. La conception d’un réseau de nœuds communicants et de nœuds capteur tels que décrits, sans fil et autonomes, et utilisant la technologie LoRa a été conçu comme preuve de concept et a permis de réaliser des mesures de température, d’humidité, de contrainte ou de résistivité au sein d’une poutre de béton armé. Des travaux complémentaires utilisant la technologie Bluetooth Low Energy ont également été menés afin de fournir une solution multi-technologiques, à la fois en termes de capteurs que de communication sans fil. De même, les aspects concernant la sécurité matérielle ont été étudiés. Ainsi, un réseau maillé de nœuds communicant récupérant, agrégeant, pré-traitant, stockant et échangeant entre eux et sur Internet les données issues des nœuds capteur sans fil enfouis dans une poutre de béton armé, mais également télé-alimentant ces mêmes nœuds capteur par du transfert d’énergie électromagnétique radiatif sans fil, a été développé, testé et caractérisé. Enfin, le contrôle de la périodicité de mesure et d’émission des nœuds capteur est réalisé entièrement matériellement par la commande du système de transfert d’énergie sans fils.

"Communicating materials" are materials that are intrinsically able to measure, process, store and exchange information. They have the ability to quantify their environment and their own state through the measurement of various physical parameters. This concept has been applied to the civil engineering field with a prototype based on a set of RFID tags embedded in concrete. However, these tags are limited in terms of measurement, processing, memory and wireless communication (short-range communications and on demand from a reader). At the same time, data and models from BIM (Building Information Modeling) are used in the design phase but neither reused nor accessible to downstream actors. The proposal of the ANR McBIM (Communicating Material within the BIM) project consists in designing a "communicating concrete" made of reinforced concrete, equipped with a network of buried wireless sensors capable of generating and exchanging data with BIM platforms, and which can be used during the entire life cycle of the components, in particular for monitoring the health of the structures.The objective of this PhD thesis, which is part of the ANR McBIM project, is to design a wireless sensor network embedded in reinforced concrete, to make this reinforced concrete communicative during its whole lifetime. In order to carry out this project, the state of art has been carried out, concerning:- "smart" concretes;- the relevant parameters for the health monitoring of the reinforced concrete, as well as their measurement methods;- the wireless communication technologies between machines in electromagnetically constrained environments;- and the techniques allowing the energy autonomy of wireless sensor networks.A two level architecture was proposed for the design of the wireless sensor network:-a mesh network of externally accessible and powered communicating nodes to retrieve, store and transmit data from the concrete characterization to a database via the Internet to enable, in particular, the design of a digital twin of the construction;- a star network of wireless sensor nodes buried in the reinforced concrete, which aims to measure and transmit to each surrounding communicating node data concerning the environment and properties of the reinforced concrete. As these wireless sensor nodes become inaccessible once embeded, they must be energy self-sufficient during their lifetime. To enable this, a wireless radiative electromagnetic power transfer system was designed to power the sensor nodes from the communicating nodes. The design of a network of communicating nodes and sensor nodes as described, wireless and autonomous, and using LoRa technology was designed as a proof of concept and enabled temperature, humidity, stress or resistivity measurements within a reinforced concrete beam. Additional work using Bluetooth Low Energy technology was also carried out to provide a multi-technology solution, both in terms of sensors and wireless communication. The physical security aspects were also investigated. A mesh network of communicating nodes retrieving, aggregating, pre-processing, storing and exchanging among themselves and over the Internet the data from wireless sensor nodes embedded in a reinforced concrete beam, but also remotely powering these same sensor nodes by wireless radiative electromagnetic power transfer, has been developed, tested and characterized. The control of the measurement and transmission periodicity of the sensor nodes is achieved entirely materially by the control of the wireless power transfer system.