Depuis une dizaine dโannรฉes, les rรฉseaux de capteurs sans fil ont pris une part importante dans notre quotidien [1]-[2] et dans lโindustrie [3]-[4] pour des applications de surveillance, dโanalyse et de diagnostic [5]. Le dรฉveloppement croissant de ces systรจmes nโa pu se rรฉaliser que par une รฉvolution des capteurs plus performants dans la dรฉtection et la mesure de phรฉnomรจnes physiques (pression, tempรฉrature, dรฉtection de gaz, accรฉlรฉration) et dans de nouvelles architectures rรฉseaux moins consommatrices dโรฉnergie et facilement reconfigurables.
Ces capteurs autonomes sans fil composรฉs dโรฉlรฉments sensibles plus petits sont reliรฉs ร de nouveaux circuits รฉlectroniques de communication ร faible coรปt dans des frรฉquences dโutilisation infรฉrieur ร 3 GHz. Aujourdโhui la plupart des recherches effectuรฉes sur ces composants se focalisent essentiellement sur leur autonomie รฉnergรฉtique [6]. La limitation en termes de consommation dโรฉnergie de ces composants a mis en รฉvidence lโimpossibilitรฉ dโinterroger ces capteurs de durรฉes de fonctionnement supรฉrieur ร 18 mois et pour des distances dรฉpassant les 30 mรจtres [7]. Les รฉtudes rรฉcentes se focalisent donc sur une consommation rรฉduite des circuits รฉlectroniques des cellules sensibles, sur la quantitรฉ dโรฉnergie embarquรฉe disponible et sur les systรจmes de rรฉcupรฉration dโรฉnergie. Il sโavรจre toutefois que toutes ces techniques nโapportent pas la solution idรฉale. En effet, la complexitรฉ des dispositifs mis en ลuvre dans ces rรฉseaux de capteurs sans fil pour minimiser cette consommation รฉnergรฉtique est encore un problรจme majeur.
Les capteurs passifs et leurs lecteurs
Dรฉfinition dโun rรฉseau de capteurs passifs
Les rรฉseaux de capteurs sans fil contiennent un grand nombre de micro-capteurs qui recueillent les donnรฉes dโun environnement de maniรจre autonome et acheminent ces informations vers un point de collecte, le lecteur [11]- [12]. Cet interrogateur analyse les donnรฉes recueillies ร distance pour informer lโutilisateur des mesures effectuรฉes. Suivant la technologie utilisรฉe par le rรฉseau sans fil et le type de capteur, les informations collectรฉes seront diffรฉrentes et les techniques dโanalyse des signaux vont contraindre ร modifier les architectures des logicielles employรฉs et la conception du lecteur.
Le capteur
Un capteur est par dรฉfinition un composant qui traduit une grandeur physique, telle une pression ou une dรฉtection de gaz, en une grandeur exploitable [13]. Son rรดle est de donner une image interprรฉtable dโun phรฉnomรจne physique de maniรจre ร lโintรฉgrer dans un processus plus vaste.
Deux grandes familles de capteurs apparaissent dans ces rรฉseaux, les capteurs actifs et passifs. Les capteurs actifs fonctionnent en gรฉnรฉrateurs et dรฉlivrent un signal รฉlectrique sous forme dโune tension, dโun courant ou dโune charge, directement fonction de la valeur du mesurande. Le capteur est alimentรฉ par une source dโรฉnergie et contient gรฉnรฉralement un module รฉlectronique pour la gestion de cette alimentation et pour un traitement du signal avant dโenvoyer lโinformation de mesure vers un autre capteur relai ou directement vers son lecteur. La deuxiรจme famille de capteurs, les capteurs passifs sont vus comme des impรฉdances (des rรฉsistance, des capacitances, des inductances ou une combinaison de ces diffรฉrents รฉlรฉments) dont le signal de sortie, est sensible au mesurande. Ils sont donc dรฉpendants de leurs gรฉomรฉtries, de leurs dimensions et de leurs propriรฉtรฉs รฉlectriques des matรฉriaux (rรฉsistivitรฉ, permรฉabilitรฉ, constante diรฉlectrique…). Depuis quelques annรฉes, des capteurs passifs de technologies SAW (Surface Acoustic Wave) et RFID (Radio Frequency IDentification) ont fait leur apparition.
Les capteurs RFID et leurs lecteursย
La technologie RFID de lโacronyme ยซ Radio Frequency IDentification ยป (identification par frรฉquence radio) est apparue dans les annรฉes 1940, pendant la guerre, en parallรจle des dรฉveloppements de la radio et du radar [14]. Cโest dans une application de reconnaissance dโavion ยซ ami/ennemi ยป, par le biais de transpondeurs interrogรฉs ร distance par un radar, que naquit le premier systรจme. Longtemps dโusage militaire, ces technologies RFID rรฉapparaissent en 1970 pour servir lโindustrie et poursuivre une รฉvolution croissante. Depuis une dizaine dโannรฉe, des recherches ont ouvert la voie ร une nouvelle branche des RFID, celle des technologies passives. Cโest dans ce contexte technologique que fut รฉgalement mis ร jour de nouveaux capteurs passifs communicant sโintรฉgrant dans ces systรจmes RFID et ร base de composant SAW (Surface Acoustic Wave) [15]. Ces systรจmes RFID passifs sont composรฉs de deux entitรฉs qui communiquent entre elles, un lecteur et un capteur passif.
IL existe 4 familles de systรจmes RFID partagรฉs par leurs frรฉquences de fonctionnement .
โBasse frรฉquence (BF) de 125 ร 134 KHz de bande
โHaute frรฉquence (HF) ร 13,56 MHz
โUltra Haute Frรฉquence (UHF) 433 MHz et de 860 ร 956 MHz
โFrรฉquences micro-ondes de 2,45 ร 5,8 GHz .
Chaque bande dโutilisation a une implication sur la portรฉe de communication. Avec des frรฉquences hautes le champ RF des lecteurs RFID peuvent influer sur les tags RFID รฉloignรฉs. A lโinverse, Les frรฉquences basses (BF) sont utilisรฉes dans des dispositifs en champ proche oรน la composante magnรฉtique de lโonde permet un couplage entre le lecteur et la cellule RFID. Parmi les systรจmes RFID ร transpondeurs passifs, deux systรจmes sont identifiรฉs et seront comparรฉs aux objectifs de notre รฉtude.
Les capteurs RFID ร couplage inductif
Le couplage inductif entre le lecteur et le capteur utilise les frรฉquences BF et HF. Lโรฉlรฉment antenne, permettant la communication, est constituรฉ de bobines connectรฉes aux deux รฉlรฉments du systรจme [18]. Le capteur passif contient gรฉnรฉralement un circuit rรฉsonnant LC dont la frรฉquence varie avec la grandeur physique mesurรฉe. Cette mesure sera dรฉtectรฉe ร distance par le lecteur en exploitant les phรฉnomรจnes dโinduction crรฉรฉs et en dรฉtectant les modifications de frรฉquences induites. La distance dโopรฉration des systรจmes BF est de quelques centimรจtres. Ce systรจme RFID passif est employรฉ gรฉnรฉralement pour des applications mรฉdicales car le signal de propagation est pรฉnรฉtrant dans les tissus humains .
Les systรจmes HF sont les systรจmes de radio-identification les plus rรฉpandus. Cette bande de frรฉquence prรฉsente lโavantage dโune bonne pรฉnรฉtration du signal ร travers les obstacles avec un fonctionnement de lโordre du mรจtre .
Les capteurs RFID UHF et Micro-ondesย
Comparรฉes aux frรฉquences de la bande HF, les bandes UHF et micro-ondes jusquโร 2,45 GHz offrent une moins bonne pรฉnรฉtration du signal au travers dโobstacles. Elles permettent toutefois des distances plus grandes [21]-[22]. Les capteurs passifs dans ces bandes ne comprennent ni transmetteur ni batterie. La communication est basรฉe sur la technique de rรฉtro-modulation ou ยซbackscatteringยป [23]-[24]. Le principe est quโune partie de lโonde รฉlectromagnรฉtique envoyรฉe par le lecteur est rรฉflรฉchie aux bornes du capteur, ร lโinterface entre lโantenne et le transducteur. Lโamplitude de cette rรฉflexion sera modulรฉe en fonction des variations de lโimpรฉdance dโentrรฉe du capteur dรฉpendante de la grandeur physique mesurรฉe. Lโรฉcho du capteur sera ensuite dรฉtectรฉ puis traitรฉ (par traitement de signal) pour rendre lโinformation de mesure accessible ร lโutilisateur du systรจme.
Le lecteur RFIDย
Le lecteur dโun systรจme RFID passif a deux fonctions. Sa premiรจre fonction est de mettre en forme et dโanalyser les signaux en provenance du capteur et la deuxiรจme de rรฉaliser la communication [25]. La partie traitement de signal et la gestion de la communication est assurรฉe par une unitรฉ de contrรดle numรฉrique composรฉe gรฉnรฉralement dโun microprocesseur, dโune mรฉmoire et de lโinterface de commande de la partie communication [26]-[27]. Elle gรฉnรจre et met en forme tout signal qui est envoyรฉ au capteur et traite en retour lโinformation modifiรฉe .
La communication est rรฉalisรฉe par la partie analogique du lecteur [29]. Composรฉe dโun รฉmetteur et dโun rรฉcepteur, cette partie est en charge de gรฉrer une porteuse ร onde continue, de lโenvoyer vers le capteur, de recevoir la rรฉponse de lโรฉcho, et de traiter le signal.
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Table des matiรจres
I. INTRODUCTION & PROBLEMATIQUE
I.1 INTRODUCTION
I.2 LES CAPTEURS PASSIFS ET LEURS LECTEURS
I.2.1 Dรฉfinition dโun rรฉseau 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 rรฉseau de capteurs
II.1.2 La rรฉsolution du Lecteur Radar
II.1.3 Choix des frรฉquences du radar
II.1.4 La SER
II.1.5 Portรฉe du radar
II.1.6 Perturbations environnementales
II.2 TECHNIQUES RADAR
II.2.1 Radar ร Impulsions
II.2.2 Radar ร ondes continues
II.2.3 Prรฉsentation 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 ร 3GHz
II.3.2 Le prototype radar ร 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 dโรฉtude
III.3.2 2รจme cas dโรฉtude
III.4 DETECTION AVEC LES RADARS REALISES
III.5 ETUDES ET MESURES DES CAPTEURS
III.5.1 Procรฉdure de mesure
III.5.2 Capteur passif : Mesure dโun filtre
III.5.3 Le capteur de pression
III.5.4 Capteur de gaz passif
III.6 CONCLUSION
IV. TECHNIQUES DโIDENTIFICATION DES CAPTEURS
IV.1 IDENTIFICATION PAR LES SER DE MODE DE STRUCTURE ET MODE DโANTENNE
IV.1.1 Description du montage
IV.1.2 Les mesures
IV.1.3 Applications
IV.1.4 Logiciel dโidentification 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