Comment les capteurs ultra-basse consommation permettent de créer des bâtiments connectés intelligents et sécurisés

L’infrastructure nécessaire à prendre en charge l’Internet des objets (IoT) est désormais bien établie, et dépasse largement les légions invisibles de serveurs et de centres de données, pour atteindre nos maisons, nos bureaux et nos usines.

Exemple de topologie de système de bâtiment intelligent

par (Pavan Mulabagal, Directeur, Stratégie et Marketing IoT, ON Semiconductor).

Au niveau Edge (périphérie du réseau) se trouvent des capteurs qui recueillent des données et les transmettent à des services cloud, ou les traitent localement, pour les rendre exploitables. Ces capteurs sont indispensables pour rendre les bâtiments plus intelligents, en permettant une approche autonome du contrôle de notre environnement. Les principaux moteurs de cette évolution sont l’aspect pratique et l’économie ; un bâtiment autonome n'oublie jamais d'éteindre les lumières lorsque la dernière personne quitte la pièce.

Ce qui a commencé comme un système de commande relativement simple, utilisant la détection de présence et la mesure de température pour régler des niveaux de chauffage et d'éclairage, par exemple, a gagné en sophistication. Tout comme les bâtiments deviennent plus intelligents, vus par l'utilisateur, les systèmes qui les commandent le deviennent aussi.

Le recours à l’intelligence artificielle (IA) permettra à terme de ne plus avoir besoin de personne pour programmer le planning d’un bâtiment intelligent. Les capteurs simples qui détectent la présence générale dans une zone étendue seront remplacés par des capteurs d’images plus sophistiqués, capables de reconnaître les individus et de fournir un contrôle plus personnalisé. Les détecteurs de mouvement anonymes feront place à des systèmes d'imagerie capables de reconnaître les visages individuels, ainsi que les gestes et même les humeurs. La commande vocale, mise en œuvre via des haut-parleurs intelligents ou des assistants virtuels, est une autre fonctionnalité importante qui gagne rapidement en popularité.

À mesure que les bâtiments deviennent plus intelligents, leurs capacités s’étendent pour fournir une expérience personnalisée, incluant le contrôle d'accès et d'autres fonctions de sécurité. Cela ira bien au-delà de l'optimisation de la consommation énergétique, qui consiste à éteindre les lumières lorsqu'une pièce est vide, pour inclure le fait de ne laisser entrer dans la pièce que les personnes autorisées, d'autoriser automatiquement telle ou telle personne à accéder ou pas à des réseaux sécurisés lorsqu'elles se trouvent à l'intérieur, et même d'aider à localiser des objets.

Les bâtiments intelligents vont conduire à l'énergie intelligente
Aujourd’hui, deux aspects de la gestion des installations représentent environ 40% de la consommation d’énergie l'éclairage et le chauffage. L’idée d’utiliser la détection de présence et le niveau de lumière ambiante pour ajuster les niveaux d’éclairage artificiel est plus vieille qu’Internet. Malgré cet ancien héritage, l’adoption de l’éclairage connecté est en pleine croissance, et repose entièrement sur des technologies qui sous-tendent et font progresser l'IoT.

La communication est un élément fondamental à cet égard. L'avènement des réseaux maillés sans fil a rendu beaucoup plus simple et plus fiable la connexion de luminaires intelligents entre eux. Les progrès constants de la technologie PoE (Power over Ethernet), associés aux économies d'énergie considérables réalisées grâce à la technologie LED, signifient que l'éclairage peut désormais être alimenté et connecté à l'aide d'un unique câble Ethernet basse tension, ce qui évite de faire appel à un électricien pour installer de l'éclairage connecté.

Désormais, ces bornes connectées qui n'étaient que des luminaires deviennent beaucoup plus. Elles font partie intégrante du réseau du bâtiment intelligent, chaque luminaire pouvant effectivement servir de balise pour la navigation intérieure, par exemple. Il devient aussi beaucoup plus simple de doter les luminaires de fonctionnalités supplémentaires, comme la détection de présence, le traçage d'actifs, ou la surveillance de l'environnement. Toutes ces fonctionnalités sont rendues possibles par l'intégration de multiples capteurs au sein d'un même dispositif connecté.

Ce sont des développements de ce type qui permettront aux bâtiments d'offrir plus de confort à leurs occupants, bien sûr, mais au bout du compte, le gain le plus important sera l'énergie économisée grâce à un fonctionnement plus intelligent.

Construire des bâtiments plus intelligents
La topologie d’un système de bâtiment intelligent dépendra de capteurs et d’actionneurs, comme décrit et illustré en Figure 1.

Le microcontrôleur ou le processeur de signaux numériques (DSP) au cœur du système sera chargé de gérer les nombreux capteurs et actionneurs présents. Il s’agira notamment de ceux servant à la détection de présence, à la surveillance de l’environnement et au contrôle d’accès, tandis que les actionneurs pourront être des moteurs à courant continu, avec ou sans balais, servant à ouvrir ou fermer les portes et les fenêtres, en plus de relais électromécaniques ou semi-conducteurs servant à allumer ou éteindre les lumières. Des niveaux de lumière variables seront obtenus grâce à une forme de modulation de puissance, comme la modulation d'impulsions (PWM), et le MCU ou le DSP pourront s'en charger. La connectivité sera assurée par un mélange de connexions filaires et sans fil. À cet égard, un nombre croissant de technologies pourront être utilisées, certaines prenant en charge les mêmes protocoles qu’utilise Internet, et étant donc accessibles directement, d'autres nécessitant une passerelle.

Nous entrons également dans le domaine de l'ultra basse consommation, où le MCU, les capteurs et les actionneurs peuvent être alimentés par de l'énergie récoltée dans l'environnement, comme la lumière ou la chaleur. Cela permet d'envisager des systèmes de commande pratiquement autonomes.

Les facteurs importants à prendre en compte pour développer le réseau de communication derrière une infrastructure de bâtiment intelligent sont la portée, la consommation et la latence. Le poids accordé à chacun de ces facteurs dépendra de l’application concernée, mais toute latence notable entre le moment où l’on entre dans une pièce sombre et le moment où la lumière s’allume sera éminemment perceptible par les personnes présentes. Il ne s'agit là que d'un exemple des raisons pour lesquelles une faible latence est importante.

En général, un traitement local assure une latence plus faible que le recours aux seules ressources de traitement du Cloud pour prendre des décisions locales. Si un capteur est capable de décider lui-même si l’entrée d’une personne dans une pièce justifie d’augmenter le niveau d’éclairage, l’expérience utilisateur s’en trouvera globalement meilleure.



Principaux facteurs à prendre en compte pour développer une infrastructure de communication pour bâtiments intelligents

La Figure 2 illustre comment ces facteurs peuvent influencer le choix de la technologie avec ou sans fil. En déployant un réseau maillé simple mais robuste (Figure 3), on peut créer de petits réseaux de dispositifs connectés comprenant des luminaires, des ventilateurs et autres équipements. Le réseau maillé permet non seulement d’étendre un réseau bien au-delà de la portée d’un nœud unique, mais aussi d'introduire de la redondance dans le réseau, ce qui permet aux messages de transiter par le réseau via n'importe quelle combinaison de nœuds connectés. Cela veut dire que si des interférences locales empêchent un message d’utiliser un luminaire comme relais, le réseau va automatiquement réacheminer le message. C'est la raison pour laquelle la plupart des protocoles sans fil modernes font appel à des réseaux maillés.



Le réseau maillé étend le réseau et assure la redondance du routage.

Les plateformes multi-capteurs sont plus performantes
À mesure que la technologie s’améliore, il est de plus en plus facile d’intégrer plusieurs capteurs dans une même plateforme, ce qui crée plus de valeur pour les actifs connectés, en particulier quand l'essentiel de la valeur est défini par la fonction première de la plateforme. Prenons l'exemple d'un luminaire. Sa fonction première est d'éclairer, mais comme nous l'avons vu, c'est aussi un nœud de capteurs quasi idéal pour capturer un large éventail de données.

En installant plusieurs capteurs dans un même actif, la valeur de cet actif augmente considérablement. Il devient un composant essentiel de l'infrastructure du bâtiment intelligent, tout en ayant l'apparence et le comportement d'un simple luminaire. La taille réduite et l'ultra faible consommation des capteurs signifient qu'un minuscule circuit imprimé peut facilement accueillir plusieurs capteurs pour détecter la présence, la température, l'humidité, la qualité de l'air, etc. En utilisant un dispositif de communication ultra basse consommation comme le RSL10 Bluetooth^® Low Energy, une telle plateforme multi-capteurs pourra fonctionner pendant des années à partir d’une simple pile bouton (Figure 4).



Exemple de plateforme multi-capteurs équipée d'un SiP (System-in-Package) RSL10.

Qui plus est, il est même désormais possible de se passer complètement de batterie et d’utiliser de l’énergie récoltée dans l’environnement pour alimenter des plateformes connectées multi-capteurs (Figure 5).



Les technologies de récolte d'énergie peuvent désormais constituer la principale source d'énergie de capteurs et d'actionneurs intelligents.

Cela permet d'installer des capteurs intelligents pratiquement n'importe où dans un bâtiment. Par exemple, des cellules solaires relativement petites et discrètes peuvent servir à récolter suffisamment d’énergie à partir de la lumière artificielle, pour alimenter une plateformemulti-capteurs envoyant régulièrement des données vers une passerelle.

Conclusion
L’efficacité énergétique va jouer un rôle fondamental dans le succès croissant des bâtiments intelligents, qu’il s’agisse de rendre ces bâtiments plus efficaces sur le plan énergétique afin de réduire leur consommation d’énergie, ou de fournir des solutions à faible consommation d’énergie s’appuyant sur des technologies avancées.

La conservation de l’énergie sera essentielle pour l’ensemble de la pile technologique, c’est-à-dire tout ce qui va des capteurs jusqu'aux services cloud utilisés. À mesure que le nombre de capteurs déployés augmente, la granularité avec laquelle on peut contrôler les commodités d’un bâtiment devient de plus en plus fine, ce qui engendre un cercle vertueux d'efficacité énergétique.

Toutefois, cela dépend largement des progrès continus de l'efficacité énergétique des capteurs, des processeurs et des technologies de connectivité. À mesure que les volumes augmentent, il peut même s'avérer nécessaire d'employer des technologies indépendantes du point de vue énergétique, en utilisant des techniques de récolte d'énergie pour alimenter ces capteurs et autres processeurs.

ON Semiconductor est à l’avant-garde du développement de technologies de détection et de connectivité ultra basse consommation, comme le RSL10, sa solution Bluetooth 5 très intégrée. En associant ce type de solution à des systèmes intelligents de traitement audio et d’imagerie, ON Semiconductor s’engage à fournir des solutions plus efficaces au plan énergétique et plus intelligentes.

www.onsemi.com

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