Les capteurs passifs et leurs lecteurs

Depuis une dizaine d‟années, les réseaux de capteurs sans fil ont pris une part importante dans notre quotidien [1]-[2] et dans l‟industrie [3]-[4] pour des applications de surveillance, d‟analyse et de diagnostic [5]. Le développement croissant de ces systèmes n‟a pu se réaliser que par une évolution des capteurs plus performants dans la détection et la mesure de phénomènes physiques (pression, température, détection de gaz, accélération) et dans de nouvelles architectures réseaux moins consommatrices d‟énergie et facilement reconfigurables.

Ces capteurs autonomes sans fil composés d‟éléments sensibles plus petits sont reliés à de nouveaux circuits électroniques de communication à faible coût dans des fréquences d‟utilisation inférieur à 3 GHz. Aujourd‟hui la plupart des recherches effectuées sur ces composants se focalisent essentiellement sur leur autonomie énergétique [6]. La limitation en termes de consommation d‟énergie de ces composants a mis en évidence l‟impossibilité d‟interroger ces capteurs de durées de fonctionnement supérieur à18 mois et pour des distances dépassant les 30 mètres [7]. Les études récentes se focalisent donc sur une consommation réduite des circuits électroniques des cellules sensibles, sur la quantité d‟énergie embarquée disponible et sur les systèmes de récupération d‟énergie. Il s‟avère toutefois que toutes ces techniques n‟apportent pas la solution idéale. En effet, la complexité des dispositifs mis en œuvre dans ces réseaux de capteurs sans fil pour minimiser cette consommation énergétique est encore un problème majeur.

Les capteurs passifs et leurs lecteurs

Définition d’un réseau de capteurs passifs

Les réseaux de capteurs sans fil contiennent un grand nombre de micro-capteurs qui recueillent les données d‟un environnement de manière autonome et acheminent ces informations vers un point de collecte, le lecteur [11]- [12]. Cet interrogateur analyse les données recueillies à distance pour informer l‟utilisateur des mesures effectuées. Suivant la technologie utilisée par le réseau sans fil et le type de capteur, les informations collectées seront différentes et les techniques d‟analyse des signaux vont contraindre à modifier les architectures des logicielles employés et la conception du lecteur.

Le capteur

Un capteur est par définition un composant qui traduit une grandeur physique, telle une pression ou une détection de gaz, en une grandeur exploitable [13]. Son rôle est de donner une image interprétable d‟un phénomène physique de manière à l‟intégrer dans un processus plus vaste.

Deux grandes familles de capteurs apparaissent dans ces réseaux, les capteurs actifs et passifs. Les capteurs actifs fonctionnent en générateurs et délivrent un signal électrique sous forme d‟une tension, d‟un courant ou d‟une charge, directement fonction de la valeur du mesurande. Le capteur est alimenté par une source d‟énergie et contient généralement un module électronique pour la gestion de cette alimentation et pour un traitement du signal avant d‟envoyer l‟information de mesure vers un autre capteur relai ou directement vers son lecteur. La deuxième famille de capteurs, les capteurs passifs sont vus comme des impédances (des résistance, des capacitances, des inductances ou une combinaison de ces différents éléments) dont le signal de sortie, est sensible au mesurande. Ils sont donc dépendants de leurs géométries, de leurs dimensions et de leurs propriétés électriques des matériaux (résistivité, perméabilité, constante diélectrique…). Depuis quelques années, des capteurs passifs de technologies SAW (Surface Acoustic Wave) et RFID (Radio Frequency IDentification) ont fait leur apparition.

Les capteurs RFID et leurs lecteurs 

La technologie RFID de l‟acronyme « Radio Frequency IDentification » (identification par fréquence radio) est apparue dans les années 1940, pendant la guerre, en parallèle des développements de la radio et du radar [14]. C‟est dans une application de reconnaissance d‟avion « ami/ennemi », par le biais de transpondeurs interrogés à distance par un radar, que naquit le premier système. Longtemps d‟usage militaire, ces technologies RFID réapparaissent en 1970 pour servir l‟industrie et poursuivre une évolution croissante. Depuis une dizaine d‟année, des recherches ont ouvert la voie à une nouvelle branche des RFID, celle des technologies passives. C‟est dans ce contexte technologique que fut également mis à jour de nouveaux capteurs passifs communicant s‟intégrant dans ces systèmes RFID et à base de composant SAW (Surface Acoustic Wave) [15]. Ces systèmes RFID passifs sont composés de deux entités qui communiquent entre elles, un lecteur et un capteur passif.

IL existe 4 familles de systèmes RFID partagés par leurs fréquences de fonctionnement .
●Basse fréquence (BF) de 125 à 134 KHz de bande
●Haute fréquence (HF) à 13,56 MHz
●Ultra Haute Fréquence (UHF) 433 MHz et de 860 à 956 MHz
●Fréquences micro-ondes de 2,45 à 5,8 GHz .

Chaque bande d‟utilisation a une implication sur la portée de communication. Avec des fréquences hautes le champ RF des lecteurs RFID peuvent influer sur les tags RFID éloignés. A l‟inverse, Les fréquences basses (BF) sont utilisées dans des dispositifs en champ proche où la composante magnétique de l‟onde permet un couplage entre le lecteur et la cellule RFID. Parmi les systèmes RFID à transpondeurs passifs, deux systèmes sont identifiés et seront comparés aux objectifs de notre étude.

Les capteurs RFID à couplage inductif

Le couplage inductif entre le lecteur et le capteur utilise les fréquences BF et HF. L‟élément antenne, permettant la communication, est constitué de bobines connectées aux deux éléments du système [18]. Le capteur passif contient généralement un circuit résonnant LC dont la fréquence varie avec la grandeur physique mesurée. Cette mesure sera détectée à distance par le lecteur en exploitant les phénomènes d‟induction créés et en détectant les modifications de fréquences induites. La distance d‟opération des systèmes BF est de quelques centimètres. Ce système RFID passif est employé généralement pour des applications médicales car le signal de propagation est pénétrant dans les tissus humains .

Les systèmes HF sont les systèmes de radio-identification les plus répandus. Cette bande de fréquence présente l‟avantage d‟une bonne pénétration du signal à travers les obstacles avec un fonctionnement de l‟ordre du mètre .

Les capteurs RFID UHF et Micro-ondes 

Comparées aux fréquences de la bande HF, les bandes UHF et micro-ondes jusqu‟à 2,45 GHz offrent une moins bonne pénétration du signal au travers d‟obstacles. Elles permettent toutefois des distances plus grandes [21]-[22]. Les capteurs passifs dans ces bandes ne comprennent ni transmetteur ni batterie. La communication est basée sur la technique de rétro-modulation ou «backscattering» [23]-[24]. Le principe est qu‟une partie de l‟onde électromagnétique envoyée par le lecteur est réfléchie aux bornes du capteur, à l‟interface entre l‟antenne et le transducteur. L‟amplitude de cette réflexion sera modulée en fonction des variations de l‟impédance d‟entrée du capteur dépendante de la grandeur physique mesurée. L‟écho du capteur sera ensuite détecté puis traité (par traitement de signal) pour rendre l‟information de mesure accessible à l‟utilisateur du système.

Le lecteur RFID 

Le lecteur d‟un système RFID passif a deux fonctions. Sa première fonction est de mettre en forme et d‟analyser les signaux en provenance du capteur et la deuxième de réaliser la communication [25]. La partie traitement de signal et la gestion de la communication est assurée par une unité de contrôle numérique composée généralement d‟un microprocesseur, d‟une mémoire et de l‟interface de commande de la partie communication [26]-[27]. Elle génère et met en forme tout signal qui est envoyé au capteur et traite en retour l‟information modifiée .

La communication est réalisée par la partie analogique du lecteur [29]. Composée d‟un émetteur et d‟un récepteur, cette partie est en charge de gérer une porteuse à onde continue, de l‟envoyer vers le capteur, de recevoir la réponse de l‟écho, et de traiter le signal.

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Table des matières

I. INTRODUCTION & PROBLEMATIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 LES CAPTEURS PASSIFS ET LEURS LECTEURS
I.2.1 Définition d’un réseau de capteurs passifs
I.2.2 Le capteur
I.2.3 Les capteurs RFID et leurs lecteurs
I.2.4 Capteurs passifs du LAAS
I.3 PROBLEMATIQUE
II. LE LECTEUR RADAR
II.1 ETUDE PRELIMINAIRE
II.1.1 Le réseau de capteurs
II.1.2 La résolution du Lecteur Radar
II.1.3 Choix des fréquences du radar
II.1.4 La SER
II.1.5 Portée du radar
II.1.6 Perturbations environnementales
II.2 TECHNIQUES RADAR
II.2.1 Radar à Impulsions
II.2.2 Radar à ondes continues
II.2.3 Présentation du radar FMCW pour les capteurs passifs
II.2.4 Technique de modulation
II.3 CONCEPTION DES RADARS FMCW
II.3.1 Le prototype radar à 3GHz
II.3.2 Le prototype radar à 30GHz
II.4 CONCLUSION
III. ETUDE DE LA SURFACE EQUIVALENTE RADAR
III.1 SCHEMA ELECTRIQUE DU CAPTEUR AVEC SON ANTENNE
III.2 SER STRUCTURALE ET SER DE MODE ANTENNE
III.3 ETUDE DE LA SER APPLIQUEE AUX CAPTEURS
III.3.1 1er Cas d’étude
III.3.2 2ème cas d’étude
III.4 DETECTION AVEC LES RADARS REALISES
III.5 ETUDES ET MESURES DES CAPTEURS
III.5.1 Procédure de mesure
III.5.2 Capteur passif : Mesure d’un filtre
III.5.3 Le capteur de pression
III.5.4 Capteur de gaz passif
III.6 CONCLUSION
IV. TECHNIQUES D’IDENTIFICATION DES CAPTEURS
IV.1 IDENTIFICATION PAR LES SER DE MODE DE STRUCTURE ET MODE D’ANTENNE
IV.1.1 Description du montage
IV.1.2 Les mesures
IV.1.3 Applications
IV.1.4 Logiciel d’identification de cibles
IV.2 DIFFUSEUR MULTIBANDES
IV.2.1 Etude du diffuseur
IV.2.2 Conception et mesures
CONCLUSION GENERALE ET PERSPECTIVES
PRODUCTION SCIENTIFIQUE
ANNEXE

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