Comment optimiser l’autonomie des appareils IoT ?

Les technologies de l’internet des objets (IoT) consistent à surveiller, interroger voire contrôler via Internet des appareils connectés. Pour faciliter leur montage et leur utilisation, en évitant l’installation de câblage pour leur communication et leur alimentation, ces appareils sont bien souvent autonomes (ils fonctionnent sur batterie) et communiquent via des technologies de transmission sans fil. Dans le domaine grand-public, il existe une multitude d’appareils IoT :thermostats, dispositifs d’éclairage, volets roulants, compteurs d'eau et d'énergie, systèmes de sécurité ou encore des appareils électroménagers. Dans le domaine industriel, on parle plutôt d’IIoT (Internet Industrial of Things). Des équipements de production sont connectés afin de surveiller et optimiser leur fonctionnement, améliorer leur rendement, et planifier des interventions de maintenance. Des conteneurs ou des engins mobiles peuvent également être connectés afin de suivre leurs mouvements dans le flux logistique ou de contrôler leur taux d'utilisation ou de remplissage.

La consommation des dispositifs IoT est l’une des principales préoccupations des concepteurs. Un appareil IoT peut en effet être destiné à être installé sur un site pour y être opérationnel pendant plusieurs années. Même si le remplacement des piles peut éventuellement être envisagé, cela présente un coût lié à la main-d’œuvre consacrée à cette intervention auquel s’ajoute celui de la batterie. Lorsque des appareils IoT sont déployés dans des lieux difficiles d’accès ou sur des équipements en mouvement (conteneur, équipements ou engins industriels mobiles…), le coût des interventions de remplacement des batteries peut devenir prohibitif. L’autonomie d’un appareil IoT doit donc être suffisamment importante pour éviter les frais de déplacement récurrents. Pour être rentables, les appareils IoT doivent souvent pouvoir fonctionner en toute autonomie sur une période pouvant aller jusqu’à 10 ans. La fin de la vie de la batterie signera donc parfois la fin de la vie du dispositif. Pour maximiser l’autonomie d’une batterie, les concepteurs peuvent agir sur deux leviers : réduire au mieux la consommation d’énergie utilisée par l’appareil IoT et/ou augmenter la capacité de sa batterie.

L’option la plus simple pour prolonger l’autonomie d’un appareil IoT consiste à l’équiper d’une batterie de plus grande capacité. Exprimée en Ampère-heure (Ah), ce paramètre indique la quantité de courant que peut fournir une batterie au fil du temps. Par exemple : si une batterie de 100 Ah est déchargée avec un courant constant de 5 A, la batterie sera entièrement déchargée au bout de 20 heures. Équiper l’appareil IoT d’une batterie de plus forte capacité pour accentuer l’autonomie d’un appareil IoT n’est pas cependant l’option la plus pertinente puisque cela aura un impact sur l’encombrement et le coût de l’appareil.

Plutôt que d’augmenter la capacité de la batterie, il est plus judicieux de concevoir un appareil qui consomme le moins d’énergie possible. Plusieurs aspects doivent être pris en compte par leur concepteur. La première étape consiste à sélectionner des composants électroniques embarqués (périphériques externes, microcontrôleur, unité radio...) faiblement énergivores en s’appuyant dans un premier temps sur les spécifications techniques fournies par le fabricant de chaque composant. Cependant, la consommation d’un appareil IoT ne peut être évaluée en se référant à ces seules données théoriques car elles fluctuent dans la pratique selon la manière dont ces composants sont mis en œuvre et employés. Il est donc indispensable de mesurer le profil de puissance réel sur des cartes électroniques ou des appareils des prototypes pour connaître exactement la consommation d’un appareil IoT dans ses différents modes opératoires.

La durée de vie d’une batterie dépend notamment des stratégies d’alimentation de l’appareil IoT. De manière générale, ce dernier est mis en mode veille la plupart du temps et s’active uniquement lorsqu’il doit acquérir des données ou être interrogé. S’il fonctionne donc par intermittence afin de maximiser la durée de vie de la batterie, il convient notamment de réduire au mieux le courant consommé en mode de veille.

Les trois principaux postes de consommations d’un appareil IoT sont : le capteur, le microcontrôleur et la liaison radio. Le capteur collecte des données brutes (relevés de température et du niveau d’humidité, par exemple) et les envoie au microcontrôleur qui les traite et les transmet à une plateforme cloud ou à un datacenter via une liaison radio. Cependant, les applications de détection, telles qu’un système de mesure d’humidité qui collecte des données une fois par heure voire par jour, présentent de très faibles rapports cycliques (de 0,01 à 1 %). Elles sont donc la plupart du temps inactives. L’adoption d’un schéma de gestion de la consommation mettant en œuvre un courant de veille de très faible niveau permet de maximiser la durée de vie de la batterie. En mode veille, tous les périphériques du système sont à l’arrêt ou opèrent à leur niveau de consommation d’énergie minimale. Les appareils IoT sont activés périodiquement pour exécuter une tâche spécifique avant que le mode veille ne prenne le relais.

En mode veille, les unités de communication sont désactivées ainsi que la plupart des blocs fonctionnels (contrôle/mesure, traitements numériques). Ce qui permet de maximiser la durée de vie de la batterie. Par conséquent, l’optimisation du courant de sommeil profond est une façon efficace d’améliorer la durée de vie globale de la batterie. Une fois l’appareil activé, le mode veille prend le relais pour prolonger la durée de vie de la batterie.

Il n’est pas suffisant de s’intéresser à la consommation propre à chaque composants électroniques embarqués et à la réduction de la consommation en mode veille. Il est nécessaire de développer une application de gestion des ressources énergétiques, d’opter pour des algorithmes qui conduisent à mettre en œuvre des modes de fonctionnement basse consommation, et de mettre en place les scénarios qui permettent la mise en veille profonde de l’appareil IoT.

Lorsqu’un appareil IoT doit transmettre à intervalles réguliers des informations ou envoyer des alertes, son module radio est mis à contribution et consomme donc de l’énergie. Pour optimiser les dépenses énergétiques dues aux fonctions de communication, il faut donc opter pour une technologie radio réputée pour sa faible consommation. Les technologies de type LPWAN (Low Power Wide Area Network) ont été développées pour offrir un fort niveau d’intégration à un faible coût, une longue autonomie des batteries (jusqu’à 20 ans), et une portée de 5 km en milieu urbain et 50 km en extérieur.

Les appareils IoT peuvent exploiter également des technologies de communications dédiées aux réseaux mobiles. La norme LPWAN (Low-Power Wide Area Network) basée sur la technologie LTE est connue sous le nom de NB-IoT (Narrow Band Internet of Things). Cette norme se concentre sur la couverture radio à l’intérieur des bâtiments avec une densité de réseau souvent élevée. L’accent est également mis sur une longue durée de vie des batteries des dispositifs. La seconde norme assez répandue est appelée LTE-M (plus précisément LTE Cat-M1) qui répond aux besoins d’applications M2M (Machine-to-Machine) et IoT. Elle offre des débits de données plus élevés et gère la voix sur le réseau. Elle coûte néanmoins plus cher à déployer et elle est généralement gourmande en bande passante. Les technologies LTE-M et NB-IoT sont donc deux protocoles basse consommation pour le réseau cellulaire (4G ou 5G) spécialement conçus pour répondre aux problématiques IoT.

Bien que les technologies LPWAN ont été pensées pour répondre aux exigences des appareils IoT en matière d’optimisation énergétique, il est évident que, comme pour toutes solutions de communication radio, plus elles sont sollicitées (en terme de fréquence de transfert et de volume de données transporté) pour transmettre ou recevoir des informations, plus elles consomment de l’énergie. La durée de vie de la batterie d’un appareil IoT peut donc être prolongée en optimisant certains paramètres de communication : réduire la fréquence d’envoi des données, enregistrer des données avant transmission afin d’activer le module de communication pour l’envoi d’un lot de donnée, limiter le nombre de données envoyées dans chaque trame, etc.

Le positionnement de l’appareil IoT et de son antenne influe également sur sa consommation. Les concepteurs de l’appareil doivent donc réaliser l’ensemble des essais permettant de déterminer les configurations de montage les plus appropriées et les indiquer dans manuel d’utilisation de l’appareil.