Capteurs auto-alimentés : Éliminer la barrière des batteries pour un IoT omniprésent

27 septembre 2021

Pourquoi les capteurs auto-alimentés changent la donne

Équiper des objets de dispositifs informatiques leur permettant de transmettre des données sur Internet a promis pendant des années de révolutionner la façon dont les entreprises opèrent et les individus vivent. Et bien que l'Internet des Objets (IoT) affecte clairement nos vies personnelles — via smartphones, thermostats connectés, trackers de fitness portables, et même bouteilles d'eau surveillant nos habitudes de consommation — il a été plus lent à atteindre l'omniprésence que les experts ne l'avaient prédit, et bien plus lent que prévu à s'imposer dans les entreprises industrielles.

Le problème des 1 000 milliards de batteries

En 2012, IBM prédisait 1 000 milliards d'appareils connectés d'ici 2015. Le monde n'en est pas venu près. Une des implications de la prévision d'IBM d'un trillion d'appareils est le volume — cela représente un trillion de batteries nécessaires pour alimenter ces trillions de capteurs IoT qui collectent, analysent et envoient des données. La durée de vie des batteries a été le focus de la plupart des innovations à ce jour. Un article présenté au Symposium de Kyoto 2017 sur les circuits VLSI a décrit de nouvelles méthodes sur lesquelles l'industrie travaille pour prolonger la durée de vie des batteries des appareils IoT.

Supposons que l'industrie atteigne finalement son objectif d'une durée de vie moyenne de 10 ans pour une batterie IoT. Combien de batteries devraient être remplacées chaque jour dans un monde à un trillion d'appareils ? La réponse : 273 972 603. Pire encore, si l'industrie n'atteint pas cet objectif et ne fournit qu'une durée de vie de deux ans, cela signifie que chaque personne sur la planète (tous les 7,4 milliards) change une batterie tous les cinq jours.

Nous ne pouvons pas remplacer plus d'un milliard de batteries chaque jour. Même dans le meilleur scénario, alimenter 1 000 milliards d'appareils IoT nécessiterait de remplacer 274 millions de batteries chaque jour. Et cela suppose que ces batteries atteignent toutes leur durée de vie de 10 ans. Clairement, ce n'est pas un plan réalisable.

Peut-on remplacer les premiers 137 millions de batteries avant le déjeuner ?

Mettons cela en termes réels reflétant comment vous pourriez réellement exploiter l'IoT dans votre propre entreprise.

Imaginez que vous déployiez 10 000 appareils IoT industriels dans vos installations — capteurs placés stratégiquement pour transmettre des données en temps réel sur la santé et la performance de vos machines et équipements, surveiller la température et la qualité de l'air dans divers secteurs, vérifier les fuites de toxines, relayer l'état de votre système de vapeur, systèmes CVC et autres infrastructures vitales.

En supposant une notion optimiste d'une durée de vie moyenne de 5 ans pour ces 10 000 batteries, votre équipe remplacerait environ 2 000 batteries par an, soit environ 5 par jour (pensez au problème des détecteurs de fumée domestiques, mais sous stéroïdes). Selon les types d'appareils, les batteries elles-mêmes pourraient coûter de quelques dollars à plusieurs centaines de dollars chacune à remplacer. Peut-être encore plus préoccupant est que le coût d'accès à un capteur distant pour changer une batterie est souvent bien supérieur au coût de la batterie elle-même.

Tout cela aide à expliquer pourquoi, selon un rapport 2017 cité par l'Institution of Mechanical Engineers, « Les batteries doivent être éliminées pour que l'Internet des Objets prospère. » C'est le problème le plus basique — l'industrie se concentre sur la durée de vie des batteries au lieu d'éliminer la dépendance aux batteries.

5 raisons pour lesquelles les batteries restreignent les déploiements IIoT rentables

Les capteurs à piles nécessitent une maintenance manuelle
Le problème le plus évident est que toutes les batteries doivent éventuellement être remplacées. Comme souligné plus haut, le coût d'accès et de remplacement des batteries mortes — car ces processus doivent encore être faits manuellement — est souvent bien plus élevé en ressources et en heures-hommes que le coût de la nouvelle batterie elle-même. Ce besoin d'effort manuel fréquent défait immédiatement la valeur fondamentale des capteurs connectés.

Durées de vie finies peuvent créer des lacunes dans les données critiques
L'inévitabilité d'une batterie morte peut avoir des conséquences au-delà des ressources marginales de main-d'œuvre et de capital nécessaires pour inspecter et remplacer les batteries. À moins que l'équipe supervisant les capteurs IoT d'une usine ne découvre une batterie morte immédiatement et puisse rapidement se rendre au capteur pour la remplacer, l'usine perdra définitivement toutes les données que le capteur aurait collectées et transmises entre-temps. Pour aggraver les choses, les batteries s'usent rapidement dans les réseaux de capteurs sans fil, même lorsqu'elles sont soigneusement gérées.

Puisque certains capteurs d'une usine industrielle enregistrent et transmettent des données critiques pour la sécurité et la conformité, des batteries qui meurent peuvent créer des risques significatifs pour l'entreprise.

Pour économiser la batterie, les capteurs sont souvent configurés pour transmettre moins fréquemment
Idéalement, un appareil IoT dans une usine industrielle — disons, un capteur positionné près des opérations chimiques de l'installation pour surveiller en continu l'atmosphère à la recherche de fuites toxiques — devrait transmettre ses données extrêmement fréquemment. Des mises à jour plusieurs fois par minute sont idéales.

Mais chaque transmission de données consomme de l'énergie. Donc, pour prolonger la durée de vie de la batterie, de nombreux capteurs IoT sont configurés pour transmettre des données bien moins fréquemment que l'idéal — parfois aussi rarement qu'une fois toutes les 24 heures.

Cela peut donner aux opérateurs d'une usine une image inexacte des données qu'un capteur capture.

Les dimensions physiques peuvent limiter la fonctionnalité du capteur
Les batteries sont souvent la plus grande partie d'un système de capteur IoT, laissant aux ingénieurs des choix limités sur lesquelles batteries ajouter à leurs capteurs. De plus, la taille, le poids et les dimensions de la batterie limitent souvent l'utilité du capteur. C'est parce que les caractéristiques physiques de la batterie peuvent restreindre à la fois les types d'applications qu'un capteur peut effectuer et les autres composants avec lesquels la batterie peut coexister sur la carte du capteur, ainsi que l'endroit où il peut être déployé (les emplacements intégrés étant interdits en raison des changements de batterie requis).

Risques de sécurité possibles et dommages environnementaux
Les Instituts Nationaux de Santé (NIH) des US rapportent que les batteries lithium couramment utilisées dans les capteurs IoT « peuvent contribuer substantiellement à la pollution environnementale et aux impacts négatifs sur la santé humaine, en raison de matériaux potentiellement toxiques. »

Le déploiement continu d'appareils IoT alimentés par batteries dans le monde — particulièrement si ces appareils sont déployés par milliards ou dizaines de milliards comme prévu — est particulièrement préoccupant.

La solution sans batterie
La solution pour la révolution de l'IoT industriel : un système de bout en bout qui rassemble tous les composants nécessaires pour une solution de détection omniprésente pleinement développée — construite autour de capteurs IoT sans fil entièrement auto-alimentés.

Une nouvelle technologie brevetée de semi-conducteurs de base et de réseautage sans fil permet aux appareils de fonctionner grâce à de faibles niveaux d'énergie récupérée ambiante, générant assez d'énergie pour permettre leurs opérations ultra-basse consommation indéfiniment. Les capteurs fonctionnent en continu et n'auront jamais besoin de batterie.

L'énergie est récupérée de plusieurs sources — incluant le solaire d'intérieur à faible niveau, le solaire extérieur, l'effet thermoélectrique (capture d'énergie ambiante générée par un gradient de température), ainsi que par la vibration de matériaux piézoélectriques (tels que certains cristaux et céramiques) et même des ondes radio voyageant dans l'environnement. Contrairement à d'autres composants électroniques « basse consommation » mais à usage unique qui utilisent la récupération d'énergie, les nouveaux dispositifs de capteurs complets peuvent non seulement collecter une gamme de données en utilisant plusieurs capteurs, mais aussi traiter, analyser et transmettre ces données sans fil — le tout sur le même budget énergétique sans batterie.

Considérez les systèmes auto-alimentés comme des « capteurs éternels », car ils peuvent être déployés sans souci d'inspection physique pour maintenance ou vérification du niveau de batterie.

Le problème des batteries a entravé l'adoption de l'Internet des Objets Industriel (IIoT) et a privé les entreprises industrielles d'avantages significatifs, tels que des capacités de détection omniprésentes qui peuvent générer une intelligence actionnable jamais auparavant accessible. La solution est une plateforme de détection omniprésente full-stack intégrée où l'environnement entier — capteur physique, fonctionnalité de capture et traitement de données, communication sans fil, plateforme logicielle d'analytique et de reporting — est conçue pour fonctionner comme un véritable écosystème. Ces innovations peuvent enfin aider les entreprises à réaliser les billions de dollars de valeur promis par l'IIoT.

Rafael Reyes est actuellement Directeur Marketing Produit chez Everactive, une entreprise technologique qui combine capteurs sans fil sans batterie et analytique cloud pour fournir des solutions IIoT de bout en bout, où il pilote des stratégies go-to-market centrées client pour les nouveaux produits et la stratégie promotionnelle pour les produits existants.
Rafael a plus de 10 ans d'expérience en marketing produit et développement produit ; combiné avec 5 ans d'expérience en Planification Stratégique et 5 ans en gestion d'unité d'affaires, le tout dans des entreprises B2C et B2B.