Résumé-L'énergie est la ressource la plus précieuse dans un réseau de capteurs sans fil, les noeuds capteurs embarquent en général une quantité d'énergie très limitée et presque jamais renouvelable dont la ressource est généralement une batterie. La gestion de l'énergie dans les réseaux de capteurs sans fil (RCSF) présente un problème complexe a plusieurs contraintes, ce qui a motivée une grande partie des recherches dans cet axe. Le but de la conservation de l'énergie dans les réseaux de capteurs sans fil vise surtout a augmenté la duré de vie d'un noeud capteur et par la suite du réseau tout entier, ce qui assure la disponibilité des différents services fournis par le réseau. L'objectif de ce travail est d'explique et d'amélioré le mécanisme l'énergie ambiante pour mieux conserver l'énergie des (RCSF), en utilisant des approches inspirées de l'environnement c'est l'énergie solaire en basant sur des méthodes d'optimisations, afin de mieux gérer la consommation d'énergie dans un réseau de capteurs sans fil.
au niveau de notre université (Tahri Mouhamed Béchar au niveau de laboratoire des énergies renouvelables) que la moyenne de pouvoir d'entrée du soleil est supérieur à 1 KW par mètre carré de surface d’un panneau de silicium cristallin (photovoltaïque) pendant un jour ensoleillé.
Les avances technologiques en informations et communications ont fait naitre une nouvelle génération de réseau informatique adapte à une grande gamme d’application très variée sont les réseaux de capteurs sans fil, qu’est composé par un grand nombre de noeuds qui sont des micro-capteurs capables de récolter et de transmettre des données d'une manière autonome. La position de ces noeuds n'est pas obligatoirement prédéterminée, ils peuvent être aléatoirement dispersés dans une zone géographique, voire Fig.1 appelée champ de captage correspondant au terrain d'intérêt pour le phénomène capté.
Zone de covertures
Requêtes Puits Internet
Satellite
Utilisateur
Le capteur est un instrument de mesure qui permet de transformer une grandeur physique ou chimique
observée (température, humidité, l’accélération, vibration, etc..) en un signal électrique, cette transformation doit
être le reflet aussi parfait que possible de ces grandeurs, pour cela il possède au moins un transducteur responsable
de la conversion de la grandeur physique en une autre. Ces dernières années ont vu apparaitre le concept
de capteur intelligent [
System de localization GPS Capturer
CAN Unité de captage
MCU
CAN Unité de traitement
Radio
Unité de Communication Unité d’énergieUnité de Traitements
Elle comprend un processeur MCU généralement associé à une petite unité de stockage Mémoire, elle
fonctionne à l'aide d'un système d'exploitation spécialement conçu pour capteurs (TinyOS par exemple). Elle
exécute les protocoles de communications qui permettent de faire la collaboration entre le noeud avec les autres
noeuds du réseau. Elle peut aussi analyser les données captées pour alléger la tâche du noeud puits (noeud centrale)
[
Elle effectue toutes les émissions et les réceptions des données sur un médium sans-fil , elle peut être de type optique ou de type radiofréquence, les communications de type optique sont robustes vis-à-vis des interférences électriques néanmoins ne pouvant pas établir de liaisons à travers des obstacles elles présentent l'inconvénient d'exiger une ligne de vue permanente entre les entités communicantes, les unités de transmission de type radiofréquence comprennent des circuits de modulation, démodulation, filtrage et multiplexage , ceci implique une augmentation de la complexité et du coût de production du capteur, concevoir des unités de transmission de type radiofréquence avec une faible consommation d'énergie est un défi, car pour qu'un noeud ait une portée de communication suffisamment grande, il est nécessaire d'utiliser un signal assez puissant et donc une énergie consommée importante.
Un capteur est muni d'une source énergétique (généralement une batterie), étant donné sa petite taille, cette
source énergétique est limitée et généralement non-remplaçable, ceci fait souvent de l'énergie la ressource la plus
précieuse d'un réseau de capteurs, car elle influe directement sur la durée de vie des capteurs et donc du réseau
entier, l’unité de contrôle d'énergie constitue donc une partie essentielle du système, elle doit répartir l'énergie
disponible aux autres modules, de manière optimale cette unité peut aussi gérer des systèmes de rechargement
d'énergie à partir de l'environnement comme notre cas via des cellules solaire [
III.
L’énergie est la capacité de mise en oeuvre des tâches d’un capteur (captage, traitement et surtout la transmission) pendant une durée suffisante, la gestion d’énergie c’est l’action d’optimisé la consommation et éliminé les surconsommations d’énergie (consommation utile), pour répondre au cahier de charge on compare entre les différents sources énergétique.
Une Batterie électrique d’un capteur couramment appelée pile est un dispositif électrochimique qui convertit
l’énergie chimique en énergie électrique grâce à la réaction Oxydoréduction comme le montre la Fig.1, la durée
du vie d’une batterie est la relation entre le courant, la décharge et la capacité, il existe deux catégories de
batteries rechargeable et non rechargeable dans cette article on s’intéresse au 1ere type de batterie rechargeable,
comme il existe plusieurs technologie de batterie et chacune à des avantages et inconvénients suivant la durée de
vie, la capacité de décharge, énergie massique, la tension à vide, le voltage, l’ampérage ….etc. Accumulateur
lithium-ion est un type de lithium a le principal avantage l’énergie massique élevée deux à trois fois plus que la
batterie NiMH par exemple) [
−
> 0 ℎ
Li ℎ
Les capteurs de cette plateforme peuvent fonctionner uniquement sur batterie, mais en sais que cette quantité
d’énergie est limitée pour une longe dure de surveillance et de suivie pour cela en profite d’une énergie gratuite
dans l’environnement elle-même, c’est le système de collecte d'énergie solaire, par la suite cette énergie est
accumulée dans des ultra-condensateurs pour une utilisation ultérieure, lorsque le soleil se couche, une fois que les
ultra-condensateurs sont déchargés de la batterie prend le relais [
Un panneau PV est composé de nombreuses cellules (une dizaine) de dimension de 2.5cm x 1cm
photovoltaïques connecte entre eux en série ou en parallèle et qui peuvent récolter chacune une quantité d’énergie,
le nombre des cellules est déterminé suivant la quantité de consommation du capteur Le modèle électrique d'une
cellule photovoltaïque est modélisé à l'aide du modèle de résistances en série et d’une diode D comme le montre
la Fig.2, où IPH est le photo-courant avec Rs et RP sont shunter résistances en séries [
Les fabricants des PV fournissent typiquement peu d’informations opératoires pour les panneaux photovoltaïques, tels que la tension en circuit ouvert, le courant de court circuit le point maximum de tension et de courant. Le panneau photovoltaïque une cellule IXOLAR en haut efficacité solaire offre une puissance nominale de sous irradiance totale. En supposant que la résisance RP est infini, la caractéristique actuelle du panneau PV peut être obtenue par l’équation (1).
Avec est le nombres de cellules en séries pour augmenter le courant, courant de saturation de diode, est
le facteur de qualité de la diode, T est la température ambiante, et sont la charge d’électron et la constante
Bolzmann, respectivement. Les trios paramètres, et qui peuvent être déterminé dans la fiche technique [
Un MPPT en anglais (Maximum Power Point Tracker), est une commande associée à un étage d’adaptation
(convertisseur continu-continu) permettant de faire fonctionner le générateur photovoltaïque de façon à produire
en permanence le maximum de sa puissance plus que la consommation du capteur, la technique de contrôle
permet alors de piloter le convertisseur statique reliant la charge, donc consiste à agir sur le rapport cyclique de
manière automatique pour amener le générateur à sa valeur optimale de fonctionnement qu’elles que soient les
instabilités météorologiques ou variations brutales de charges qui peuvent survenir à tout moment [
La Fig.3 représente une chaîne de conversion photovoltaïque élémentaire associée à une commande MPPT. La
commande MPPT est associée à un convertisseur statique permettant de faire une adaptation entre le GPV et la
charge de telle sorte que la puissance générée correspond à sa valeur maximale et qu’elle soit transférée
directement à la charge [
GPV
Vph
Iph
Convertisseur
DC- DC
α Commande
MPPT
Charge
La méthode (Perturbe & Observe) (P&O) qui est aujourd'hui largement utilisée de par sa facilité
d'implémentation, elle consiste a perturbe la tension d'une faible amplitude autour de sa valeur initiale et
d'analyser le comportement de la variation de puissance (qui en résulte, c’est l’une des méthodes les plus utilisées
et sans doute la plus naturelle qui vient à l'esprit pour faire une recherche du point maximal de puissance PPM. Le
principe de P & O est d’introduire une petite perturbation de tension en agissant sur le rapport cyclique du
convertisseur statique, puis en observant le sens de la variation de puissance de sortie PV, si à tout instant j la
sortie PV puissance P (j) et tension V (j) est supérieure à la précédente calculée à l’instant j-1 P(j-1) et V (j-1),
alors la direction de la perturbation est maintenu sinon il est inversée, l'algorithme peut être détaillé comme suit:
[
Pour une tension U(k) fixée va mesurer la puissance correspondante P(k) délivrée par le générateur
Après un certain temps, l'algorithme impose une tension U (k+1) = U(k) + ΔU et mesure également la puissance correspondante P (k+1), Si P (k+1) est supérieure à P(k) l'algorithme cherche à imposer une tension plus grande U(k+2)=U(k+1) + ΔU.
Sinon l'algorithme cherchera au contraire à abaisser la tension U (k+2) = U (k+1) − ΔU
Représente la variation de la puissance en fonction de la tension d'un panneau photovoltaïque, on voit que après une suite de perturbation de tension, la puissance PV augmente, la direction de perturbation est maintenue, dans le cas contraire elle est inversée pour reprendre la convergence vers le nouveau PPM, la trajectoire de la variation de ces points est représentée sur la Fig.4.
De cette manière, le système adapte en permanence la tension aux bornes du générateur photovoltaïque afin de
se rapprocher du point de puissance maximum, mais sans jamais l'atteindre précisément. D'autres algorithmes
différents existent aussi et des solutions entièrement analogiques parfois assez simples à mettre en oeuvre [
Dans cette section, nous avons modélisé PV solaire sous l’environnement MATLAL/SIMILUINK, la courbe du courant en fonction de la tension IV et la puissance en fonction de la tension PV sont représentés sur la Fig.5.
Dans un premier temps, nous allons présenter les résultats de la simulation d’un panneau photovoltaïque avec les valeurs suivantes des résistances série et parallèle Rs = 450 Ω et Rsh = 5000 Ω. Quand l’ensoleillement augmente, l’intensité du courant photovoltaïque croît, les courbes IV se décalent vers les valeurs croissantes permettant au module de produire une puissance électrique plus importante Fig.6.
L’évolution de la caractéristique IV et PV en fonction de la température montre que le courant augmente légèrement lorsque la température s’élève et engendre une décroissance moins prononcée de la tension de circuit ouvert, Fig.7.
Les réseaux de capteurs sans fil ont de nombreux avantages pour la surveillance, contrôle et suivie qui intervient dans plusieurs domaine d’application, ils sont autonomes en énergie, ont un faible coût, sont faciles a déployé, ils peuvent fonctionner aussitôt après déploiement et ne nécessitent aucune intervention humaine et ils doivent être opérationnels pendant très longtemps.
En raison de l'importance du problème de gestion de l'énergie dans les réseaux de capteurs sans fil, une
approche holistique pour la conservation de l'énergie dans RCSF est essentielle. Cependant, une telle approche est
encore difficile a trouve en raison de la diversité des applications et différances exigences, tel que les techniques
d’optimisation de la consommation d’énergies touchantes les couches protocolaires bien sûr les algorithmes des
protocoles de communication (méthode d’accès, routages, agrégation des données ……etc.)[
Une approche approfondie c’est la technique de récolte d'énergie peuvent jouer un rôle déterminant dans
l'alimentation des périphériques d’un capteur déploie dans un RCSF avec une durée de vie importante, comme
dans cet article l’énergie ambiante solaire à le pouvoir en particulier peut être une source très utile en raison de sa
forte densité d'énergie et disponibilité dans le monde entier, la technologie des cellules photovoltaïques continue
de s'améliorer et les coûts continuent à abaissé, tous ces facteurs font de la récolte d'énergie solaire une option
viable pour l'alimentation à long terme comme en le témoigne dans le présent document d’après les résultats de
simulation. Cependant, il faut prendre soin de concevoir une énergie solaire Harvester pour s'assurer qu'il
répondra aux besoins des clients dans tous les lieux. Il est inhérent les compromis qui doivent être faits pour livrer
un produit avec un temps d'exécution suffisant en l'absence de la lumière du soleil atteint des cibles de coûts de
plus en plus exigeantes. Heureusement, les coûts et l'efficacité de ces cellules solaires améliorent la capacité de
l'énergie solaire à s'adapter à une plus grande population de services sans fil ainsi l’application dans les réseaux
de capteurs [
Actuellement l’année 2017 l’Algérie a besoin de faire face à cette crise économique en utilisant ces stratégie des réseaux de capteur sans fil en profitant de l’énergie solaire pour développe l’économie en particulier l’agriculture dans notre région.