INSTITUT POLYTECHNIQUE DE GRENOBLE ... - Laboratoire TIMA

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Chapitre 1Introduction générale et contexteCadre et motivations de la thèseCes travaux de thèse ont été effectués dans le cadre d’une co-tutelle entre l’université 7 Novembreà Carthage en Tunisie et l’Université Joseph Fourier à Grenoble. Elle a été principalement financéepar l’Agence Universitaire de la Francophonie (AUF) et le programme de Mobilité InternationaleRhône-Alpes (MIRA).Nous étudions dans le cadre de cette thèse un capteur autonome en énergie appartenant à ungrand réseau de très nombreux capteurs sans fils (en anglais a Node for a Wireless Sensor Network(WSN)). Les potentialités de ce type de composants pour des applications environnementales(contrôle de bâtiment, pollution dans les villes...) sont évidentes. A travers le monde, diverses équipesde recherche (BWRC à Berkeley, MIT, Université de Coventry, Université de Southampton...) etd’industriels (Philips, EnOcean, Perpeteum) sont actifs dans ce domaine. Ce type de systèmes seveut autonome grâce à une microbatterie ou une super-capacité qui se recharge à partir de l’énergieenvironnementale (énergie mécanique, contraintes, photovoltaïque, thermoélectricité, etc..). Lestravaux concernant la récupération et la gestion d’énergie ont été initiés au cours d’autres thèsesdans l’équipe MNS ([20] et [14]). Ce travail s’inscrit dans la continuité de ces deux thèses. En effet,il est très complexe d’effectuer une simulation globale d’un système multi-domaines (électrique, mécanique,optique...) et de l’optimiser avec les approches traditionnelles vu la diversité des domaines,le couplage plus au moins fort entre eux, la nature des signaux et des non linéarités de certainscomposants. Il est donc intéressant de fournir des modèles paramétrables plus au moins précis, capablesde prédire les performances des différents blocs et/ou d’effectuer la modélisation globale. Cetype de modèles n’a pas pu être abordé au cours des travaux précédents car les outils utilisés aussibien pour la modélisation du microgénérateur piézoélectrique (ANSYS par l’analyse à élémentsfinis (FEM)) que pour le circuit de gestion d’énergie (CA<strong>DE</strong>NCE) ne le permettent pas.Principales contributions et plan de la thèseNous avons fixé un objectif principal à nos travaux : celui de modéliser et valider par simulationsles parties de récupération et stockage d’énergie d’un nœud (ou node) pour un réseau de capteurssans fil. Le but est de fournir des prototypes virtuels mais fonctionnels de ces différents blocs. Selonle besoin, deux types de modèles seront fournis. Le premier type est un ensemble de modèles1
CHAPITRE 1. INTRODUCTION GÉNÉRALE ET CONTEXTEcomportementaux indépendants de l’implémentation physique que nous privilégierons dans les simulationsglobales. Le second type est un ensemble de modèles plus précis qui implémentent desdétails physiques sur la géométrie et les matériaux utilisés dans les différents composants. Ce typede modèles sera privilégié pour l’optimisation des performances des différents blocs et l’identificationdes paramètres influant sur cette performance (par exemple pour l’optimisation de la structure dumicrogénérateur). Le défi de ce deuxième type de modèles est de garder un compromis vitesse/précisionacceptable tout en fournissant les informations nécessaires à ce type d’étude. Il doit aussi êtreréutilisable pour d’autres structures et matériaux. Le deuxième objectif consiste à développer uneapproche de modélisation multi-niveaux. Cette approche devrait permettre de valider ces modèlesau sein de la simulation globale : le but de ce genre de simulations n’est pas de valideren même temps tous les modèles les plus raffinés, mais de se concentrer sur un seulmodèle raffiné à la fois en l’associant avec d’autres modèles plus abstraits au sein dela même simulation.Plan de la thèseLe premier chapitre présente un état de l’art ayant un double objectif : fixer aussi bien l’applicationque l’environnement de modélisation et de simulation. Pour ceci, nous allons dans un premiertemps définir les réseaux de capteurs puis dégager leurs caractéristiques les plus importantes à partird’exemples d’applications. Puis, une architecture générale d’un nœud de réseau de capteurs sansfil sera fixée. Par ailleurs et en raison de la pluridisciplinarité de ce travail, un petit état de l’artsur chaque partie du nœud de réseaux de capteurs sera fait au début de chaque chapitre. Nousavons fait le choix de différer ces parties de l’état de l’art général pour des raisons de clarté. Eneffet, les chapitres 2, 3 et 4 peuvent faire l’objet de trois sujets d’étude différents. C’est pourquoinous avons voulu qu’ils soient les plus autonomes possibles sans toutefois perdre le filconducteur qui est l’application d’une approche de modélisation générique et paramétrablefavorisant l’approche multi-abstractions. Dans un troisième temps, nous allons passeren revue les principales méthodes de modélisation des systèmes multi-physiques à signaux mixtesainsi que leurs environnements de simulation. Pour ceci, nous commencerons par définir la notion demodélisation en général en insistant sur le concept de la réutilisation et l’importance du prototypagevirtuel (IP pour Intellectuel Property). Ensuite, nous convergerons vers la modélisation et la simulationdes systèmes mixtes en mettant l’accent sur les flots de conception des systèmes analogiqueset les considérations à prendre en compte pendant la simulation. Enfin, la dernière partie de cepremier chapitre sera dédiée aux principaux langages et environnement de modélisation mixte. Lebut de cette partie est de synthétiser les avantages et les inconvénients aussi bien des langages demodélisations que des outils dédiés afin de justifier le choix qu’on a adopté par la suite. En fin dece chapitre, un guide de modélisation tirant profit de cet inventaire sera fourni, lequel fera office defeuille de route pour la modélisation des différents sous-systèmes considérés par la suite.Le deuxième chapitre est consacré à la modélisation du système de récupération d’énergie particulièrementimportant pour le fonctionnement du nœud, vu qu’il conditionne sa durée de vie. Le butessentiel visé par ce chapitre est de démontrer la faisabilité de l’approche de modélisation annoncéeau chapitre précédent à travers ce premier sous système. Afin d’atteindre ce but, nous avons articuléce chapitre autour de deux parties essentielles. La première partie a été dédiée à la justification de laméthode de transduction retenue pour la récupération d’énergie parmi les autres choix étudiés dansla littérature. La piézoélectricité étant retenue parmi d’autres méthodes, La seconde partie seraconsacré à l’implémentation d’une bibliothèque de modèles de générateurs piézoélectriques génériqueset paramétrables, respectant le guide de modélisation figé à la fin du chapitre précédent, sera2
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Bibliographie[1] K.Delaney. Augment
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BIBLIOGRAPHIE[77] F.Belhachemi and
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