Développement, intégration et prototypage d'un noeud-capteur autonome à récupération d’énergie pour réseaux de capteurs sans fil.

Development of a self-sustained wireless sensor node.

• Auteur / Autrice : Sébastien Guigue
• Direction : Thierry Taris, Jean-Baptiste Begueret
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Electronique
• Date : Soutenance le 02/05/2024
• Etablissement(s) : Bordeaux
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences physiques et de l'ingénieur
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de l'intégration du matériau au système (Talence, Gironde)
• Jury : Président / Présidente : David Dubuc
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Pierre Courouve
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Hervé Barthélemy, Shahriar Mirabbasi

Mots clés

Mots clés contrôlés

Énergie

Réseaux de capteurs (technologie)

Circuits intégrés à faible consommation

MOS complémentaires

Mots clés libres

Ultra Low Power CMOS RF

Récupération et gestion d'energie

Développement Système

Ultra Low Power CMOS RF

Energy Harvesting and Management

System Development

Résumé

Il y a eu une recrudescence du nombre de dispositifs connectés dans le contexte de l’Internet des objets. La multiplication des réseaux de capteurs sans fil a conduit à une augmentation du nombre de batteries et de déchets générés. Dans un contexte d’électronique verte, le développement de circuits autonomes alimentés par la récupération d’énergie doit être géré. Le premier chapitre donnera un aperçu des réseaux de capteurs sans fil, y compris une brève histoire de ces systèmes, les différents domaines d’application, les défis et quelques solutions possibles pour surmonter ces problèmes. Le second chapitre présentera la conception d’un microcontrôleur sur mesure pour l’application qui contrôle le noeud capteur avec une consommation minimale d’énergie. L’architecture du microcontrôleur, le jeu d’instructions, l’interfaçage et tous les choix de conception seront présentés. Le troisième chapitre décrit la conception d’une radio de réveil, un circuit toujours actif qui active le noeud capteur lorsqu’une requête est envoyée. Le choix de l’architecture de chaque bloc sera expliqué, en détaillant les différents aspects de chaque bloc. Les blocs sont les suivants : Un détecteur d’enveloppe pour la réception des données ; Un comparateur pour la démodulation des données ; Un oscillateur pour fournir une horloge pour le système, ; Un corrélateur pour comparer le message reçu avec une référence ; Une source de courant pour assurer la robustesse thermique.Le dernier chapitre fournit une analyse de l’ensemble du noeud de capteur sans fil. Une estimation de l’autonomie du noeud est présentée et une comparaison avec un noeud conçu avec des composants du marché est également présentée. Des perspectives d’amélioration pour les travaux futurs seront également exposées.

There has been an upsurge in the number of connected devices in the IoT(Internetof Things) context. The multiplication of Wireless Sensor Networks (WSNs) lead toan increase of the number of batteries and of waste generated. In a context of green electronics, the development of self-sustained circuits supplied with energy harvesting has to be managed.Chapter I will give an overview of wireless sensor networks, including a brief history these systems, the different fields of application, the challenges and some possible solutions to overcome these issues.Chapter II will present the design of a custom Microcontroller Unit (MCU) which runs the WSN with a minimum power consumption. The architecture of the microcontroller,the instruction set, the interfacing and all the design choices will be presented.Chapter III describes the design of a Wake-Up Radio (WuRx), an always-on circuit which switches on the WSN when a request is sent. The choice for the architecture of each block Will be explained, while detailing the different aspects of each block.The blocks areas follows : An envelope detector for data reception ;A comparator for data demodulation ; An oscillator to provide a clock for the system ; A correlator to compare the received message with a reference,; A current source to provide temperature robustness.Chapter IV provides an analysis of the entire wireless sensor node. An estimation of the node autonomy is presented and a comparison with a node designed with market components is presented. Perspectives of improvement for future works will also be presented.