Electronique Mag - Le journal de l'électronique.

Cela implique une précieuse et large bande passante utilisée pour remonter ces données, ainsi qu’une consommation qui peut être élevée ; le coût important des nombreuses données à stocker dans les serveurs est aussi un problème. Les capteurs et processeurs de technologies récentes permettent de faire plus de traitement au niveau de l’objet, afin d’envoyer des données intelligentes, et donc d’utiliser moins de bande passante, tout en maitrisant le budget de consommation au niveau de l’objet, afin de garder une durée active sans recharge pour l’objet qui est maximale.

Lorsque l’on souhaite discuter des capacités de traitement d’un objet, nous devons aussi aborder la source d’alimentation envisagée : est-elle remplaçable comme une pile CR2032 ou rechargeable comme une batterie Li- Ion, ou basée sur l’energy harvesting ?

Il faut également considérer les différents modes de fonctionnement de l’objet (attente, acquisition, traitement, remontée d’information…), donc la consommation dans chacun de ces modes, et le temps passé dans chacun de ces modes, afin de déduire la consommation de l’objet par unité de temps, par exemple par heure ou par jour, typiquement. Cela permet d’en déduire la durée en fonctionnement sans recharge, ou sans remplacement de la pile.

À l’aide des technologies ultra faible consommation offertes sur le marché du semiconducteur désormais, et notamment par Analog Devices, pour qui c’est le coeur de la stratégie sur les objets connectés, il est désormais possible d’exécuter plus de calculs sur le microcontrôleur avant d’envoyer des données traitées et donc filtrées. En effet, l’ADuCM302x, le dernier Cortex M3 d’Analog Devices, est le moins consommateur du marché : il offre un mode actif à 38uA/MHz, un mode Flexi permettant des communications par DMA de et vers les mémoires et périphériques sans exécuter de code par le coeur pour un budget de 300uA, et des modes base consommation comme l’hibernation avec détection des interruptions, RTC et crystal actifs pour seulement 850nA.

Il est bon de rappeler que 80% des données transmises dans le cloud à ce jour ne sont pas utilisées. Cela coûte donc cher en stockage de données, mais aussi en bande passante RF et en consommation énergétique. Il est donc clé de filtrer les données au niveau de l’objet.

Le tout nouveau et ultra faible consommation Cortex-M4F d’Analog Devices, l’ADuCM4150, embarque un coprocesseur dénommé Sensor Signal Processor (SSP) qui est un DSP 64-bits SIMD (Single Instruction Multiple Data) travaillant avec une unité quad MAC (multiplication-accumulation) sur 16-bits, en parallèle du coeur micro. Ce Cortex-M4F affiche une consommation active de 55uA/MHz, et des modes basses consommation très performants. L’intérêt du SSP est de pouvoir déporter des calculs de type filtre FIR ou FFT dans ce SSP, afin de pouvoir les exécuter plus vite, sans augmenter la fréquence du coeur processeur, et ainsi minimiser la consommation. Cet appui lié à un coprocesseur hardware permet donc de faire plus de calculs sur l’objet, tout en maitrisant sa consommation.

Pour citer un exemple de cela, on utilise souvent la maintenance prédictive dans une usine (thème de l’Industrie 4.0). Les accéléromètres sont montés sur des composants critiques tels que les roulements. Traditionnellement, les données de l’accéléromètre brut seraient renvoyées sur un lien à bande passante élevée où elles sont traitées dans le but de découvrir si un palier est presque en fin de vie. Dans l’avenir, nous voyons le traitement se produisant sur l’objet, et un simple statut (cassé ou OK) étant transmis sur une liaison de bande passante plus faible. Cela permet des dispositifs sans fil alimentés par batterie, et dans l’ensemble un déploiement à moindre coût.

Le budget de consommation d’un objet n’est pas utilisé uniquement par le microcontrôleur. Les capteurs et la radio associés à ce coeur micro sont des contributeurs importants à la consommation de l’objet également. Analog Devices l’a bien compris, et c’est pourquoi ADI offre les accéléromètres trois axes les moins consommateurs du marché, avec les ADXL362 et ADXL364. Ces deux produits de technologie MEMS, consomment 1.8uA en mode actif à 100Hz de rythme de données en sortie, et offre un mode de détection par mouvement qui ne consomme que 270nA. Ce mode de détection par mouvement, explicité par la Circuit Note CN-0274 permet à un objet connecté de ne consommer que 270nA tant qu’il n’est pas réveillé suite à la détection d’un mouvement dépassant un seuil sur un ou plusieurs axes programmé dans l’accéléromètre.

Il est également possible de réveiller un objet connecté par détection de proximité et/ou de gestes. L’ADUX1020 permet de détecter la proximité d’une personne jusque 50 cms tout en consommant moins de 10uA. Ce front end photométrique intègre un pilote de LED, un ADC et un moteur de reconnaissance de gestes. Il fonctionne par mesure de l’angle optique réfléchi suite à l’envoi de lumière infra-rouge par une seule LED vers l’objet détecté. En écrivant seulement dans deux registres de l’ADUX1020, ce dernier passe dans un mode de reconnaissance de gestes lui permettant de détecter un mouvement gauche-droite, droite-gauche, de haut en bas ou inversé, un click ou un double click. Ainsi cela permet d’enlever les fausses détections d’une personne passant devant l’objet mais ne souhaitant pas interagir avec, tout en minimisant la consommation de l’objet tant que le mode gestes n’est pas activé. (la consommation de l’ADUX1020 dans le mode gestes est typiquement de 0.85 mA à 100Hz).

Basé sur le même principe optique réfléchi, Analog Devices fournit des front ends servant à la mesure de rythme cardiaque, et à la mesure de SpO2 (oxymétrie pulsée), tels l’ADPD103 ou les ADPD105/106/107.

Au travers de ses pilotes de LED pouvant fournir de 8 à 250 mA, il fournit le courant nécessaire pour allumer les LED externes au composant. Ces dernières éclairent la peau et, par mesure réfléchie à travers la photodiode, le signal est acquis par le frontal, puis amplifié, filtré, intégré et converti par un CAN 14 bits, avant d’être transmis à un hôte via une interface I²C.

L’intérêt d’avoir les LED et photodiode(s) en externe est multiple. En premier lieu, cela permet de choisir le nombre, la couleur et la puissance des LED et, surtout, leur écartement optimal avec la photodiode pour maximiser l’index de modulation (celui-ci définit le rapport AC/DC et donc la qualité du signal réfléchi). En second lieu, il est possible de sélectionner la taille de la photodiode et, éventuellement, de lui adjoindre un amplificateur ultra faible bruit et basse consommation.

Du type de mesure effectué (HRM - le rythme cardiaque - ou SpO2) et de l’emplacement de la mesure sur la peau, il en découle le choix de la couleur des LED. Pour une mesure du rythme cardiaque sur le poignet, des LED vertes seront privilégiées car l’absorption d’hémoglobine est la plus élevée pour les longueurs d’onde entre 500 et 600 nm. Lorsque votre coeur bat, le flux de sang dans votre poignet, ainsi que l’absorption de la lumière verte, est supérieur. Entre deux battements, il diminue. En faisant clignoter les LED vertes plusieurs centaines de fois par seconde, l’ADPD103 ou ADPD105 est à même de calculer le nombre de battements du coeur chaque minute, c’est-à-dire le rythme cardiaque. Idéalement, il est recommandé d’espacer les LED vertes de 3 cm ou plus afin d’augmenter l’index de modulation.

Le nouveau front end, l’ADPD105 ne consomme que 0.5uA en mode standby (une réduction d’un facteur 7 par rapport à l’ADPD103), ce qui permet de très peu tirer sur la batterie lorsque l’utilisateur n’est pas en train de mesurer son rythme cardiaque (lorsqu’il est au repos typiquement).

Pour mesurer l’oxymétrie pulsée (SpO2), il conviendra de choisir une LED rouge et une LED Infrarouge. La mesure sera plutôt pratiquée avec le doigt (avec ce dispositif on bénéficiera alors également de la mesure HRM), car celui-ci a une forte concentration en capillaires. L’oxymétrie pulsée est une méthode non invasive utilisée par les médecins pour évaluer et contrôler rapidement la fonction respiratoire d’un patient. Le rapport entre la lumière rouge et infrarouge traversant la photodiode indique le pourcentage d’hémoglobine oxygénée, par rapport à l’hémoglobine désoxygénée contenue dans le sang. Cette saturation en oxygène dans le sang est également appelée SpO2.

Pour les applications à fortes contraintes d’espace, ne nécessitant pas une optimisation trop poussée de la mesure optique, Analog Devices propose également des solutions modulaires avec frontal analogique, photodiode et LED dans le même boîtier. Ainsi, l’ADPD142 inclut une LED rouge et une LED infrarouge pour mesurer la SpO2 sur le doigt. Son successeur, l’ADPD144, bénéficie d’une conception mécanique améliorée pour réduire à néant la pollution de lumière interne (il s’agit de la lumière directe entre la LED et la photodiode). Il fournit une erreur moyenne de mesure de 2,6 % sur un échantillon de 24425 mesures, ce qui le rend compatible FDA (Food and Drug Administration, l’agence américaine des produits alimentaires et médicamenteux). Les dimensions du boîtier de l’ADPD144 sont de 5x2,8 mm, pour une hauteur de 1,35 mm.

Comme indiqué précédemment, pour maximiser l’index de modulation et, par suite, la qualité du signal mesuré, il faut respecter un écartement minimum entre LED et photodiode. Ce qui ne peut être optimal dans un module, où l’espace est compté. Aussi, pour les applications de type montre sportive, avec les contraintes supplémentaires liées au mouvement, à la transpiration et au déplacement du contact montre-peau, les solutions avec LED et photodiode externes au frontal photométrique sont recommandées. L’ADPD105/106/107 améliore de 12 dB le SNR par rapport à l’ADP103, il est donc le plus fortement recommandé pour cette application. Il est recommandé également d’exécuter un algorithme de compensation de mouvement sur le microcontrôleur, ainsi que de synchroniser les données du front end optique avec celles de l’accéléromètre.

Le changement de l’interface I2C en SPI pour l’ADPD106/107 a été effectué suite à la demande de Garmin qui s’est rendu compte que la communication par I2C utilisée sur son moniteur d’activité VivoSmart HR consommait 9% du budget consommation des tâches effectuées. Passer en SPI permet de réduire significativement la consommation de ces communications séries.

La VivoSmart HR utilise une batterie Li-Ion rechargeable 80 mAh, un sous-système optique avec l’ADPD103 et 3 LED vertes, un processeur Kinetis K22F (Cortex M4) faisant tourner un algorithme de rejection de mouvement, une radio BTLE/ANT nRF51 de Nordic, un accéléromètre, un baromètre, un contrôleur CapTouch et un contrôleur LCD. En sachant que les LEDs sont pulsées 2 fois 2 microsecondes avec un courant de LED de 50mA pour lancer une mesure de rythme cardiaque, il nous faut ensuite estimer le nombre de fois où cela a lieu en moyenne pour déterminer les éléments les plus consommateurs du système. Il en ressort que l’algorithme tourné sur le K22F consomme 45% du budget consommation, le système optique prend 43% dont 22% par l’ADPD103 et 21% par les LEDs, 9% par les transferts I2C, et 3% par l’accéléromètre. Le nRF51 ne fait que déplacer les données et ne contribue donc pas significativement au budget consommation.

Ainsi l’ADPD103 a été retravaillé pour diviser par 7 sa consommation en standby avec l’ADPD105/106/107. Utiliser un Cortex M3 ou M4 ultra faible consommation, et un algorithme de réjection de mouvement demandant moins de calcul permet de faire baisser cette part du budget significativement également.

Dans un autre de ses produits, le Garmin HRM-Tri, l’AD8232 est l’ECG utilisé pour le calcul du rythme cardiaque ; celui-ci utilise 40% du budget consommation. Cela a entrainé le développement de l’AD8233 qui consomme trois fois moins et qui est fourni avec un boitier WLCSP étant 80% plus compact que l’AD8232.

Si nous nous intéressons désormais à la radio servant à la communication, les objets connectés ont le choix entre différentes technologies, comme le Bluetooth Low Energy, le Wi-Fi, Sigfox ou LoRa pour citer les protocoles principaux. Les choix sont effectués en fonction de l’application, de la couverture du réseau, de la consommation, de la portée et du coût.

ADI a introduit début juillet l’ADF7030-1 qui est une radio sub-GHz, qui peut travailler en large bande (jusque 768kHz) ou en bande étroite (depuis 2.6kHz), et avec des débits allant de 0.1 kbps à 300 kbps.

Il couvre toutes les bandes sub-GHz classiques, telles les 433 MHz, 868 MHz et 915 MHz, et il offre une consommation en standby avec retenue de la mémoire de seulement 10nA. Avec le support du 802.15.4g, il peut supporter des protocoles comme le 6LowPan, donc WiSun, et le Wireless M-Bus.

ADI a aussi porté la pile Sigfox sur cette radio et l’ADuCM3029, et fournira un module avec l’ADuCM3029, l’ADF7030-1 et une pile Sigfox certifiée sur ce module à partir de septembre 2016.

Ce module Sigfox ne consomme donc que 760nA en standby, ce qui est le cas de la majorité du temps des objets connectés qui remontent des informations via Sigfox seulement par intervalles très espacés.

Les autres points forts de l’ADF7030-1 sont la sensibilité en réception et la réjection des canaux adjacents. La supériorité en sensibilité (-134.3 dBm à 0.1 kbps, et -128 dBm à 1.2 kbps) permet des communications plus longue distance : de l’ordre de 5% à 20% de plus de portée par rapport à ses concurrents (jusque 10kms à 0.1 Kbps). Cela implique moins de répéteurs à déployer (moins de gateways) et donc un coût de déploiement qui peut être fortement réduit. Ses spécifications de réjection des bloqueurs et de bruit de phase étant meilleures que ses compétiteurs en large bande et en bande étroite, cela permet une meilleure utilisation du spectre, et donc une meilleure capacité du réseau.

La figure de bruit de l’ADF7030-1 étant bonne, il n’est pas nécessaire d’ajouter un LNA au module. Sa réjection des blockers étant de 100 dB, on peut s’abstenir d’un filtre SAW. Son courant de repos est tellement bas qu’il n’y a pas de fuite de courant et donc pas besoin de commutateur côté haut (high side switch). Cela donne un module compatible Sigfox très compact.

Afin de compléter le design d’un objet connecté basse consommation, nous avons besoin de solutions d’alimentation à très faible courant de repos (Iq ou quiescent current), afin de ne pas perdre d’énergie dans la conversion d’énergie. En fonction de l’alimentation principale (sur pile bouton remplaçable ou sur batterie rechargeable), les circuits ne seront pas toujours les mêmes. Si nous utilisons une batterie rechargeable, notre design doit inclure un chargeur de batterie, linéaire ou à découpage, tels les ADP5061 ou ADP5065 par exemple.

Nous pouvons aussi citer les solutions d’energy harvesting comme étant capables de fournir de l’énergie renouvelable à l’objet connecté, sans nécessiter de batterie. Si ce coût des batteries peut être relativement faible, comme lors du remplacement de la batterie dans une montre-bracelet, il est parfois très élevé. C’est le cas lorsqu’il s’agit de remplacer une batterie difficile d’accès, par exemple lorsque celle-ci alimente un capteur de mesure de débit d’un gaz implanté dans un pipeline.

Si un système dispose localement d’une source d’énergie exploitant des différences de température, la lumière, des vibrations ou tout autre principe mécanique susceptible de fournir de l’énergie, alors de nouvelles applications sont possibles, pour lesquelles l’utilisation d’une batterie n’est pas viable.

Nous citerons notamment les capteurs qui, répartis en zone forestière, ont pour mission de détecter au plus tôt un déclenchement d’incendie. L’énergie récupérée par la lumière, une fois stockée dans un élément de charge, servira alors à alimenter un détecteur de fumée linéaire ou optique.

Un autre exemple est la pose des capteurs dans les bâtiments. Des capteurs de vibrations disséminés sur les ponts routiers et ferroviaires permettront de déterminer si une rénovation s’impose, avant que la sécurité routière ne soit à risque. Dans les deux exemples indiqués, les capteurs sont nombreux et une communication par voie radio est exigée. Le remplacement périodique des batteries s’avère ici bien trop complexe et onéreux.

Grâce à sa conception unique, le circuit ADP5091 compte parmi les PMU à récupération d’énergie ayant les meilleurs rendements du marché, en convertissant l’énergie captée allant de 16 μW à 100 mW, avec une consommation propre inférieure au μW (son Iq est au maximum de 450nA). Le circuit ADP5091 présente également, à ce jour, le temps de démarrage à froid le plus court par un mécanisme astucieux de charge avec deux capacités de taille différente.

Les dispositifs qui s’appuient sur la récupération d’énergie doivent souvent procéder à une accumulation d’énergie lente avant d’être activés, ce qui entraîne une longue période d’attente avant que le dispositif ne soit en mesure d’effectuer ses opérations de détection, de traitement et d’émission. Ces délais peuvent se traduire par la perte de données, un fonctionnement lent, et donc par une expérience médiocre pour l’utilisateur. Le circuit ADP5091 apporte une solution à ces problèmes, grâce à une conception innovante avec un cheminement multiple de l’énergie permettant un démarrage plus rapide et un meilleur fonctionnement.

Afin de distribuer la charge en aval du chargeur de batterie, il est souvent nécessaire d’employer des convertisseurs à découpage DC/DC abaisseur (buck) ou abaisseur-élévateur (buck-boost). Les critères clés de sélection de ces circuits sont la valeur de Iq, le rendement à faible charge, et la taille du boitier. ADI est leader sur ce segment avec la famille de bucks 500mA avec l’ADP5301, car ce produit offre un Iq le plus bas du marché avec seulement 180nA, et un rendement de 85% avec Vin = 3.0V, Vout = 2.5V, et seulement 10uA délivrés sur la charge.

Sur la même philosophie ultra faible consommation, l’ADP5310 est un double buck 800mA et 300mA ainsi qu’un commutateur de charge dans un même boitier, avec un Vin allant de 2.7V à 15V. Il offre un très bon Iq de seulement 700nA, et un rendement de 82% avec Vin=5V, Vout=3.3V, et seulement 10uA sur la charge.

Pour compléter cette offre, ADI propose aussi des LDOs, des comparateurs, des circuits de reset, des timers et watchdog et des détecteurs de tension à ultra faible Iq.

ADI a des technologies ultra faible consommation sur toute la chaine de traitement d’un objet, des capteurs aux microcontrôleurs, aux radios sub GHz, et alimentés par des solutions d’energy harvesting ou des DC/DC avec ultra faible Iq. Le SSP de l’ADuCM4150 permet de déporter le calcul flottant dans des blocs dédiés, ce qui accélère le calcul, réduit la consommation, et la bande passante nécessaire pour envoyer les données qui sont désormais filtrées avant envoi.

http://www.analog.com/