Un pas important vers des capteurs acoustiques résilients et autonomes en énergie

Distinctions Signal

Situé à la croisée de l’internet des objets et de l’informatique du son et de la musique, l’internet des sons est un domaine de recherche émergent auquel s'intéressent plusieurs scientifiques du Laboratoire des sciences du numérique de Nantes (LS2N - CNRS/École Centrale de Nantes/Nantes Université/IMT Atlantique). En associant les compétences des équipes Signal, IMage et Son (SIMS) et Système Temps Réel (STR), des chercheurs du LS2N sont parvenus à établir les bases technologiques d’un nouveau concept de biocapteur acoustique sans fil dépourvu de batterie. Le fruit de leur travail, publié dans un article scientifique, a été salué par le Best Paper Award lors du deuxième workshop international sur l’Internet des sons (IWIS 2021), organisé en septembre dernier par le Département d’ingénierie de l’information et d’informatique de l’Université de Trento (Italie). 

Repenser de fond en comble la manière de concevoir des dispositifs de détection acoustique dans le but de limiter au maximum leur empreinte écologique : tel était l'objectif pour le moins ambitieux d’un groupe de chercheurs nantais travaillant au sein du LS2N. Réunis autour de Vincent Lostanlen, chargé de recherche CNRS spécialiste du traitement des sons par ordinateur, ces scientifiques avaient à cœur de proposer un capteur acoustique mettant en application le principe de la sobriété numérique à la fois dans sa conception et dans son mode de fonctionnement.

« À l’heure actuelle, les appareils de bioacoustique destinés notamment au suivi des espèces d'oiseaux dans leur milieu naturel sont tous alimentés par des batteries, qui doivent être régulièrement rechargées par un opérateur ou à l’aide de panneaux solaires. Or, ces batteries à base de lithium contiennent des polluants chimiques et ont une durée de vie plus courte que les composants électroniques employés pour la fabrication du capteur », constate Vincent Lostanlen. Avec d’autres membres de l’équipe SIMS cherchant à concevoir des capteurs acoustiques écologiquement soutenables, le scientifique s’est rapproché de l’équipe STR qui développe des méthodes permettant de rendre fonctionnelles des applications sur des systèmes intermittents. Leur objectif commun : proposer un capteur le moins énergivore possible sans pour autant altérer ses performances.

La technologie FeRAM offre la possibilité de conserver l’information déjà acquise en cas de coupure inopinée de l’alimentation, ce qui est susceptible de se produire régulièrement en absence de batterie.
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Pour relever ce double défi, le groupe de chercheurs a imaginé un concept de capteur acoustique sans batterie mettant à contribution un nouveau système de stockage de l’information : la mémoire ferroélectrique non volatile à accès aléatoire (FeRAM). « Cette technologie offre la possibilité de conserver l’information déjà acquise en cas de coupure inopinée de l’alimentation électrique ce qui est susceptible de se produire régulièrement en absence de batterie », précise le chercheur au CNRSÀ la différence de la mémoire de type « Flash », qui équipe la plupart des capteurs sensoriels actuels, la mémoire FeRAM est à la fois rapide, endurante et très peu consommatrice d’énergie. Autant d'atouts qui la rendent particulièrement adaptée à l’intégration dans un futur capteur acoustique autonome en énergie. Si l’équipe du LS2N n’est pas encore parvenue à mettre au point un premier démonstrateur de ce dispositif de détection, elle a d’ores et déjà réussi à prouver la faisabilité technique de ce nouveau concept. « À partir d’un support expérimental intégrant une mémoire FeRAM, un supercondensateur assurant l'alimentation en énergie et un accélérateur à basse énergie dédié au traitement du signal, nous sommes parvenus à détecter une onde sinusoïdale de fréquence inconnue parmi un mélange sonore constitué de diverses fréquences audibles »détaille Vincent Lostanlen.

Prototype de capteur acoustique comprenant un module d'évaluation (en rouge) et un support électronique élaboré par l'équipe STR (en vert) intégrant un module LoRa, deux composants de mémoire FeRAM et un microphone. © Vincent Lostanlen

Destiné en premier lieu au suivi des populations d’oiseaux dans leur milieu naturel, le futur capteur acoustique ne détectera pas directement le chant de chaque espèce présente. Pour pallier l’importante consommation d’énergie que requiert l’enregistrement de séquences sonores, le dispositif se contentera en effet d’identifier des abondances de cris d’oiseaux à l’aide d’étiquettes numériques marquant le début et la fin d’une vocalise, sa redondance et son intensité. Afin de permettre un fonctionnement en réseau de ces capteurs autonomes, les scientifiques comptent par ailleurs s'appuyer sur le protocole de télécommunication radio LoRaWAN qui permet la communication à bas débit d'objets connectés. « Dans les prochains mois, nous allons mettre au point un algorithme de débruitage capable de compiler de manière particulièrement frugale les séquences de données acquises à partir d’un ensemble de capteurs fonctionnant en réseau, complète Antoine Bernabeu, doctorant au sein de l’équipe STR. À plus long terme, nous envisageons d'intégrer des réseaux de neurones à notre dispositif pour accroître ses performances tout en conservant un niveau de consommation énergétique relativement bas. » D’ici trois à quatre ans, les chercheurs du LS2N devraient être en mesure de déployer in situ (jungle tropicale, massif montagneux isolé, …) un premier réseau de capteurs bioacoustiques sans fil et sans batterie intégrant toutes ces innovations technologiques.

Contact

Vincent Lostanlen
Chargé de recherche CNRS au LS2N