Concevoir des dispositifs souples et adaptables

En retour, cette densification des données ralentit les réseaux et réclame de l’énergie. Les chercheurs de l’Ircica et d’ailleurs jouent sur l’architecture des réseaux pour régler ces problèmes. Par exemple, trier et traiter les données directement au niveau d’un hub, un point du réseau qui concentre les informations, plutôt que d’échanger avec des data centers qui ne se trouvent pas forcément sur le même continent. Pour Laurent Clavier, professeur à l’école d’ingénieurs Télécom Lille, chercheur à l’Institut d’électronique, de microélectronique et de nanotechnologie2 et membre de l’équipe CSAM3 de l’Ircica, tout est question de compromis. « Les économies d’énergie et la fiabilité s’obtiennent plus facilement si l’information n’a pas besoin d’être transmise à quelques millisecondes près, explique le chercheur. Tout se complique si le réseau concerne les voitures autonomes ou les systèmes d’arrêt d’urgence dans les usines. Les réseaux actuels n’assurent pour l’instant pas de délais aussi courts. »

Afin de ne pas se cantonner à des niches trop restreintes pour être rentables, les équipes travaillent à des solutions souples et adaptables. Laurent Clavier évoque ainsi un projet de capteurs qui fonctionneraient même sur des rhinocéros pour alerter si un animal est pourchassé par des braconniers. On imagine alors le besoin en matériel robuste et autonome, plutôt que d’avoir à changer les piles tous les six mois sur un rhinocéros en pleine savane. Olivier Berder, professeur et responsable de l’équipe Granit4 au sein de l’Institut de recherche en informatique et systèmes aléatoires (Irisa)5, à Lannion, fait partie de ceux qui s’attachent à améliorer l’efficacité énergétique des objets connectés. « Les capteurs ne consomment pas tant d’énergie que cela, insiste celui-ci, mais les communications radio, si. Le problème empire lorsque la distance augmente et qu’elle réclame des amplificateurs. »

Le réveil des radios économes

Même quand ces communications ne sont pas permanentes, les objets connectés consomment autant d’énergie à les « guetter » qu’à les transmettre. Olivier Berder et son équipe travaillent donc sur des wake-up radios, des systèmes presque passifs qui restent pourtant en écoute. Seules les informations utiles sont acheminées et réveillent le microcontrôleur principal du capteur. Ces systèmes ont par contre une portée plus faible que les radios classiques. « Les wake-up radios peuvent cependant être couplées à des radios classiques ou à des récepteurs mobiles, précise Olivier Berder. Comme elles n’ont pas besoin de synchronisation, elles conviennent particulièrement bien aux systèmes autonomes, étant donné le caractère souvent imprédictible des systèmes de récupération d’énergie. »

Entre le comportement asynchrone des radios et les caprices de la récupération d’énergie, l’ensemble réclame des algorithmes de contrôle adaptés. Des méthodes issues des intelligences artificielles, de l’apprentissage par renforcement et de la logique floue sont ainsi mises à contribution. En effet, quiconque a vu son smartphone s’éteindre alors qu’il affichait encore quelques pour cent de batterie le sait : le niveau de charge d’une batterie se mesure mal en temps réel. La récupération de l’énergie n’est pas non plus linéaire, car elle dépend surtout de facteurs que l’homme ne contrôle pas forcément : l’ensoleillement, les vibrations, le vent, les gradients thermiques…

Proposer des soins à distance

Cumulées, ces innovations élargissent encore le spectre des applications de l’Internet des objets. Jean-Philippe Diguet, directeur de recherche au sein du Laboratoire des sciences et techniques de l’information, de la communication et de la connaissance (LAB-Sticc)6, à Lorient, travaille avec son équipe Mocs7 sur des systèmes sur puce et des systèmes embarqués très variés. Il a ainsi conçu le réseau de capteurs portés BoWI8, auquel Olivier Berder a également participé9. S’il évoque de loin les combinaisons de capture de mouvements utilisées en modélisation 3D, BoWI déduit les postures et les gestes de l’utilisateur en fonction de l’orientation des capteurs, sans utiliser d’équipement extérieur.

Du calcul haute performance à la sécurité

Preuve de la réactivité des chercheurs, le BoWI pourrait également servir à établir les comptes pénibilités mis en place depuis cet été. Les employeurs doivent en effet quantifier combien de fois leurs employés effectuent des gestes ou des postures jugés dangereux. Des capteurs légers et autonomes fourniraient des données fiables sur toute une journée de travail.

Le traitement d’image et l’intelligence artificielle se révèlent, tout comme la communication, gourmands en énergie. Il faut donc là encore trouver un fragile équilibre qui repose sur l’architecture des réseaux et choisir à quel endroit et à quel moment effectuer les opérations les plus énergivores. « Nous travaillons aussi sur la sécurité du hardware, ajoute Jean-Philippe Diguet. Les objets connectés forment tout autant de moyens d’accès à des informations privées. Personne n’a envie que les capteurs sur son corps préviennent son assureur d’un problème de santé. Les wake-up radios ont cet avantage : moins le nœud communique, moins il s’expose. »

Améliorer l’autonomie des capteurs

Du rhinocéros aux drones, les chercheurs s’échinent donc à améliorer l’autonomie des capteurs les plus difficiles d’accès. Ces travaux concernent aussi, bien évidemment, le corps humain. Le laboratoire Techniques de l’informatique et de la microélectronique pour l’architecture des systèmes intégrés (Tima)11 a ainsi travaillé sur la récupération d’énergie pour les pacemakers. Skandar Basrour, son directeur adjoint et professeur à l’université Grenoble Alpes, est spécialisé dans la récupération d’énergie directement par le capteur. « Les mouvements du cœur émettent de l’énergie mécanique sous forme vibratoire, détaille-t-il. Or nous pouvons la convertir en énergie électrique grâce à des systèmes piézoélectriques. On obtient ainsi des pacemakers sans fil qui ne nécessitent plus de réopérer tous les huit ans. »

Les matériaux piézoélectriques se polarisent électriquement lorsqu’ils subissent une contrainte mécanique, un principe utilisé par exemple dans les allume-gaz et le quartz des montres. Dans le cadre des capteurs et des réseaux, cette contrainte physique peut provenir des vibrations de n’importe quel support : une voiture qui roule, un pont très emprunté, une personne qui s’active… « Ces vibrations se trouvent généralement en dessous de 200 hertz, ce qui est faible, constate Skandar Basrour. Augmenter la taille des générateurs piézoélectriques améliorerait les rendements, mais cela peut entrer en conflit avec le cahier des charges du capteur. Nous étudions donc d’autres pistes, comme les polymères électroactifs, la récupération de l’énergie électrostatique, thermique, magnétique… Tout se joue parfois au nanowatt près, mais ces grandeurs ne sont plus négligeables dans le monde des objets nomades. »

Une fois encore, ces travaux se retrouvent à l’interface entre plusieurs domaines. Rien d’étonnant à ce qu’un réseau de connaissances variées se forme pour étudier des objets eux-mêmes connectés.