Qualit Eau : Système de gestion automatisée de la qualité de l eau des piscines privées

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1 Qualit Eau : Système de gestion automatisée de la qualité de l eau des piscines privées Rapport de projet version finale présenté à Robert Bergevin et Éric Poulin par Équipe 07 Eau-T matricule nom signature Alexandre Aubé Michaël Beaupré Alexis Jalbert Xavier Kedzierski Philipe Miningou Université Laval 18 avril 2014

2 Historique des versions version date description 23 janvier 2014 Création du document février 2014 Remise du rapport février 2014 Remise du rapport mars 2014 Remise du rapport avril 2014 Remise du rapport final

3 Table des matières 1 Introduction 3 2 Description 4 3 Besoins et objectifs Analyse des besoins Système de commande automatique Centre de gestion Support aux techniciens Interactions avec l utilisateur Impacts environnementaux Autres considérations Analyse des objectifs Système de commande automatique Centre de gestion Support aux techniciens Interactions avec l utilisateur Autres considérations Cahier des charges Tableau des critères Rapidité des calculs Résolution des signaux analogiques Fréquence d échantillonnage Fréquence des envois Volume du boîtier Robustesse du boitier de commande Centre de gestion Capacité de transfert des données Capacité du système à effectuer les tâches Durée d archivage Support aux techniciens Efficacité du système de localisation Portabilité des appareils Interaction avec l utilisateur Ergonomie de l interface locale Ergonomie de l interface en ligne Considérations globales Coût de production i

4 TABLE DES MATIÈRES ii Coût d opération Temps d implantation et de production Fiabilité du système Maison des qualités Conceptualisation et analyse de faisabilité Diagramme fonctionnel Élaboration des concepts de solution Calculer les algorithmes de commande Nano-ordinateur + ADC + DAC Microcontrôleur + DAC Tablette intelligente + périphérique USB Entrée des paramètres locaux Affichage 7-segments + boutons tactiles Écran tactile intégré Écran LCD + boutons physiques Accès aux données Application mobile Site internet Transférer les données Wi-Fi ZigBee Communication satellite VSAT Archivage des données Disque dur du serveur Disque dur externe Hébergement des données Traitement des données Hébergement cloud Hébergement dédié Hébergement local Gérer les interventions Tablette intelligente Ordinateur portable + Boîtier GPS Ordinateurs de poche PDA Étude préliminaire Plan de développement Élaboration et évaluation des concepts de solution Concept Calcul des signaux de commande : Arduino Mega + DAC MCP Entrée des paramètres locaux : 7-segments + boutons tactiles Accès aux données : Site internet fait à l étranger Transfert de données : Zigbee Archivage des données : Amazon Glacier Traitement des données : Amazon EBS + Amazon EC Gestion des techniciens : Android X7Gs avec fonction GPS Considérations globales Concept Calcul des signaux de commande : Arduino Mega + DAC MCP Entrée des paramètres locaux : Écran + boutons tactiles

5 TABLE DES MATIÈRES iii Accès aux données : Site internet fait par un programmeur indépendant Transfert de données : Zigbee Archivage des données : Google Cloud Storage Traitement des données : Google Compute Engine + Google Cloud SQL Gestion des techniciens : Android X7Gs avec fonction GPS Considérations globales Concept Calcul des signaux de commande : Raspberry Pi + DAC MCP ADC MCP Entrée des paramètres locaux : Écran + boutons tactiles Accès aux données : Site Internet fait par une firme professionnelle Transfert de données : Wi-Fi Archivage des données : Toshiba Canvio Connect Traitement des données : Serveur dédié Economy - GoDaddy Gestion des techniciens : Chromebook C7 de Acer + GEO-302 PTI Considérations globales Concept Calcul des signaux de commande : Raspberry Pi + DAC MCP ADC MCP Entrée des paramètres locaux : Affichage 7-segments + boutons tactiles Accès aux données : Site Internet fait par une firme professionnelle Transfert de données : Wi-Fi Archivage des données : Amazon Glacier Traitement des données : Amazon EC2 + EBS Gestion des techniciens : Acer N Considérations globales Synthèse des résultats Concept retenu Matrice de décision Analyse de la matrice décisionnelle et prise de décision Description du concept choisi Schéma physique du concept retenu Conclusion 51 A Affichage 7 segments 56 B Liste des sigles et des acronymes 57

6 Table des figures 3.1 Schéma des objectifs Maison des qualités Diagramme fonctionnel Schéma physique du concept retenu A.1 Schéma de l affichage à 7 segments

7 Liste des tableaux 4.1 Synthèse des critères contenus dans le cahier des charges Évaluation de la robustesse du boitier Évaluation du système de localisation Évaluation de la portabilité des appareils Évaluation de l ergonomie de l interface locale Évaluation de l ergonomie de l interface en ligne Évaluation de la rentabilité de la production Évaluation du temps de la production du système Évaluation de la fiabilité du système Cotes et rétention des concepts proposés - Calcul de l algorithme de commande Cotes et rétention des concepts proposés - Interface locale Cotes et rétention des concepts proposés - Accès aux données Cotes et rétention des concepts proposés - Envoi des données Cotes et rétention des concepts proposés - Archivage des Données Cotes et rétention des concepts proposés - Traitements des données Cotes et rétention des concepts proposés - Gestion des interventions Étude préliminaire du système de commande automatique Étude préliminaire du centre de gestion Étude préliminaire pour le support aux techniciens Étude préliminaire pour les interactions avec l utilisateur Étude préliminaire pour les autres considérations Synthèse des résultats des quatre concepts proposés Matrice de décision

8 Chapitre 1 Introduction Malgré les températures glaciales en hiver, le Québec offre aussi des températures élevées lors de l été. C est pourquoi les piscines sont devenues si populaires, que ce soit à fin de divertissement ou même de détente. Cependant, l entretien d une piscine est une tâche pouvant s avérer plus compliquée que prévue par la majorité des gens. Il existe une multitude de facteurs contribuant à une eau propre afin de permettre aux gens de profiter pleinement de leurs installations en toute tranquillité d esprit. Une mauvaise gestion de produits chimiques peut entrainer plusieurs conséquences dangereuses pour la santé des utilisateurs. Les couts d entretien dépendent de plusieurs facteurs, tels que les produits chimiques, l électricité ainsi que l eau courante. C est dans cette optique que la société Éco-Piscines, désireuse de maximiser le plaisir des clients en éliminant les soucis liés à l entretien ; a mandaté la firme d ingénierie Eau-τ pour la production d un nouveau système automatisé. Ce système permettra de maintenir une eau de qualité sans la moindre intervention de l utilisateur, afin de rendre la vie plus facile à n importe qui possédant une piscine hors terre. Le rapport subséquent présente d abord la description de la problématique, ensuite l analyse des besoins et objectifs du clients pris en compte afin d élaborer par la suite le cahier des charges. Puis, l analyse de faisabilité précède les études préliminaires, pour finalement présenter les concepts retenus. 3

9 Chapitre 2 Description Le système pour le maintien de la qualité des eaux demandé par le client se doit d être entièrement automatisé et monitoré par un centre de gestion. Le centre de gestion doit assurer un archivage et un suivi statistique des données relatives aux installations de chaque utilisateur. Il doit aussi permettre, grâce à une planification adéquate, un déploiement rapide des cinq techniciens chargés du service afin d intervenir efficacement dès qu une anomalie survient chez un des 800 propriétaires d une piscine hors-terre de l agglomération de Québec visés par le système. Il doit permettre de prévoir les stocks de matériel utilisés et gérer les commandes internes du système. De plus, le client doit pouvoir interagir avec le système pour régler les paramètres selon ses préférences et gérer son dossier personnel. Le système régule automatiquement le dosage des produits chimiques, le ph, la température et le niveau de l eau, ainsi que d autres paramètres au besoin. Cette automatisation doit réduire la consommation d énergie et de produits chimiques. Une autre considération environnementale est l utilisation d eau de pluie préalablement stockée. Enfin, le dispositif doit assumer un coût total de 750$ par unité sur une période de 5 ans. 4

10 Chapitre 3 Besoins et objectifs Puisque plusieurs facteurs peuvent influencer la qualité de l eau d une piscine, le client demande un système automatisé pouvant contrôler l ensemble de ces facteurs. La section présentée ci-dessous contient une analyse profonde des requêtes faites par le client afin d en tirer plusieurs besoins et objectifs pour satisfaire l utilisateur. C est en lui offrant une gestion automatisée et sans souci de la qualité de l eau de leur piscine, tout en tenant compte des principes de développement durable, que ce système arrivera à le satisfaire. 3.1 Analyse des besoins Suite à l analyse des demandes du client, nous en sommes venu à diviser les besoins en six sections Système de commande automatique Le système Qualit Eau doit être capable de gérer automatiquement les paramètres de l eau de la piscine de chacun des clients. Cette fonction est effectuée dans le dispositif local de commande. Ce dernier doit prendre les mesures des paramètres (température, niveau, ph, taux de chlore) dans l eau circulant dans le système de filtration. Il doit aussi permettre au client de modifier ces paramètres, et de les mémoriser. Ensuite, il calcule des algorithmes pour commander les modifications à apporter. Enfin, toutes les données mesurées, calculées et commandées doivent être envoyées au centre de gestion. Le dispositif local doit être portatif. Les exigences techniques du client sont : 1. Au moins 12 signaux analogiques en entrée et en sortie 2. Les signaux doivent être sur une plage de 1V à 5V 3. Résolution minimale des signaux : 0,015V 4. Fréquence d échantillonnage minimale de 1 Hz 5. Fréquence d envoi minimale de 0,2 Hz 6. Volume maximal du boîtier de 0,04 m Centre de gestion Le système doit gérer les entrées et les sorties de données grâce à un centre de gestion. Celui-ci doit archiver les données provenant du dispositif de commande, ce qui implique les variables mesurées par les senseurs, les variables de commande et les consignes de chacun des dispositifs. Aussi, il doit archiver les dossiers des utilisateurs en sauvegardant leurs coordonnées, l information pertinente sur leurs équipements et leurs historiques d interventions par un technicien. Ce centre de gestion doit compiler les données et calculer des statistiques utiles, en plus de les conserver pendant une période d au moins cinq ans. Il doit aussi être 5

11 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS 6 capable de planifier les interventions et transmettre les directives aux techniciens. Finalement, il doit être en mesure de gérer les biens matériels de l entreprise Support aux techniciens Le système doit être accessible aux techniciens à partir d appareils protatifs. Le système doit être capable de générer un calendrier d entretien des diverses installations et de transmettre un itinéraire journalier à chacun des techniciens. Il doit aussi, en cas de panne ou sur demande de l utilisateur, localiser le technicien le plus proche (avec une précision minimale de 50m) et lui envoyer un nouvel itinéraire afin d intervenir efficacement. Les techniciens doivent bénéficier d un accès privilégié au dispositif local de commande pour les différentes opérations sur le système. Enfin, le système doit être capable de comptabiliser et d archiver le temps passé chez un utilisateur en plus du temps de déplacement du technicien pour chaque intervention Interactions avec l utilisateur Les utilisateurs doivent avoir la possibilité d interagir avec le système directement sur le dispositif ou à distance. À l aide d une interface locale, le client entre les valeurs souhaitées pour chaque paramètre et voit les lectures du système en temps réel. Chaque client doit posséder un compte personnel pour payer ses factures et être en mesure d observer les données d utilisation archivées par le système. De plus, le système possède une interface web sécurisée avec laquelle le client peut communiquer avec la compagnie et le centre de gestion. Ces éléments doivent tous être sécurisés afin d assurer la confidentialité des renseignements du client. De plus, cette interface doit prévoir une présence simultanée de plusieurs clients à la fois Impacts environnementaux Le système Qualit Eau se doit d être écologique. Toute ressource nécessaire (eau, électricité, produits chimiques) doit être consommée le plus efficacement possible. Le système doit donc prévoir une baisse d activité de maintenance si une longue période d absence est prévue. On doit être en mesure de réutiliser l eau de pluie Autres considérations Le coût de revenu maximal par dispositif local doit être de 750$ étalés sur 5 ans. Il faut assurer la sécurité physique et informatique de l ensemble du système. Enfin, il faut que le système soit réalisable et commercialisable rapidement. 3.2 Analyse des objectifs Système de commande automatique Le système Qualit Eau doit fournir au client la paix d esprit en minimisant son implication dans l entretien de sa piscine. En effet, l utilisateur n a qu à entrer ses préférences en terme de température, de niveau de l eau, de taux de ph et de taux de chlore pour que le système s assure automatiquement de maintenir ces paramètres. La stabilité des paramètres doit être maximale en tout temps et l utilisation des ressources doit être réduite au minimum. Pour ce faire, le système de contrôle doit minimiser le temps de réaction aux variations des paramètres et calculer rapidement les valeurs de commande idéales à envoyer afin de contrer les variations, tout en minimisant la consommation de ressources engendrée par ces commandes. De plus, le système doit tenir compte des réalités physiques de son emplacement et doit donc être sécuritaire et avoir une mobilité maximisée.

12 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS Centre de gestion Le centre de gestion a comme objectif principal d optimiser les communications entre tous les acteurs impliqués. Ceci implique de faciliter les communications entre le client et la compagnie et celles dirigées vers les techniciens de Qualit Eau. Il doit maximiser la capacité d accueil des données envoyées par les systèmes locaux, des calculs faits, des informations des clients et optimiser le calcul des statistiques. Enfin, il faut maximiser les capacités d échanges de données entre les organes du système Qualit Eau Support aux techniciens Notre client désire un système fiable qui permettra un suivi technique efficace. Pour cela, il est nécessaire de maximiser la précision de la géolocalisation et des calculs d itinéraires afin de réduire les temps de déplacement. Aussi, il est important de produire un système fiable et robuste afin d optimiser sa durabilité et minimiser les risques de pannes. Enfin, il faut faciliter la réparation des appareils pour offrir un suivi plus aisé et minimiser les temps d intervention Interactions avec l utilisateur Les interactions entre le système et l utilisateur doivent se faire intuitivement. L interface locale doit posséder des commandes simples afin de permettre à un utilisateur inexpérimenté de pouvoir utiliser le système sans qu il y ait de confusion. Le dispositif local doit aussi être sécuritaire, de sorte que seules les personnes autorisées puissent modifier les paramètres du système. L interface en ligne doit être organisée de façon à ce que tout utilisateur puisse accomplir les tâches souhaitées. De plus, l interface en ligne doit posséder une protection contre toutes tentatives de fraude ou autres attaques afin de protéger les données confidentielles des clients Autres considérations Il est nécessaire que le coût total (implantation et opération) soit minimisé et que le système puisse être fabriqué dans un délai d un an, afin de respecter les contraintes d argent et de temps. Il faut aussi maximiser la disponibilité du système.

13 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS 8 Qualit'Eau Gestion des paramètres de l'eau Centre de gestion Support aux techniciens Interactions avec l'utilisateur Autres considérations Maximiser la stabilité des paramètres Faciliter les communications client-compagnie Miminiser les risques de panne Maximiser l'intuitivité des interfaces Minimiser les coûts d'implantation Minimiser le temps de réponse aux variations des paramètres Faciliter les communications compagnietechniciens Faciliter la réparation des appareils Maximiser la sécurité de l'accès au dispositif de commande Minimiser les coûts d'opération Assurer la mémorisation des paramètres voulus Faciliter les communications système local-centre de gestion Minimiser les temps d'intervention Faciliter les échanges en ligne Maximiser la disponibilité du système Maximiser la mobilité du dispositif Maximiser l'espace de stockage des données Maximiser la sécurité des informations confidentielles Optimiser le calcul de statistiques Maximiser les capacités d'échanges entre les différents acteurs Figure 3.1 Schéma des objectifs

14 Chapitre 4 Cahier des charges 4.1 Tableau des critères Critères d évaluation Pond. Barème Min Max Système de commande automatique 30% Rapidité des calculs (MIPS) 7% 1 10 r Résolution des signaux (V) 6% R 3 0, Fréquence d échantillonnage (Hz) 4% 1 1 f ech Fréquence des envois (Hz) 4% f env Volume du boîtier (m 3 ) 4% 1 (25 V ) Robustesse du boîtier de commande 5% Voir tableau 4.2 Centre de gestion 20% Capacité de transfert des données (Go) 6% f envoi Capacité du système à effectuer les tâches (tâches/s) 9% S Durée d archivage (Go) 5% N a Support aux techniciens 10% Efficacité du système de localisation 7% Voir tableau Portabilité des appareils 3% Voir tableau 4.4 Interactions avec l utilisateur 15% Ergonomie de l interface locale 5% Voir tableau Ergonomie de l interface en ligne 10% Voir tableau 4.6 Considérations globales 25% Coût de production ($) 10% Voir tableau Coût d opération ($) 5% Voir tableau Temps d implantation et de production 5% Voir tableau Fiabilité du système 5% Voir tableau 4.9 Tableau 4.1 Synthèse des critères contenus dans le cahier des charges Rapidité des calculs Le système doit calculer un algorithme relativement simple afin d envoyer des commandes précises et idéales. C est pourquoi l unité de calcul de l appareil devra avoir une capacité de calcul maximisée. La 9

15 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 10 rapidité de calcul peut être calculée en MIPS 1. Évidemment, il ne faut pas nécessairement une unité de calcul de plusieurs dizaines de milliers de MIPS comme les processeurs d ordinateurs personnels modernes, mais il faudrait au moins une dizaine de MIPS. Donc, ce critère, qui compte pour 7% de la note, est calculé avec la règle : 1 10 (4.1) r où r est la rapidité de calcul en MIPS. Bref, à 10 MIPS, la note est de 0, et plus la rapidité de calcul augmente, plus la note tend vers Résolution des signaux analogiques La qualité et l exactitude des mesures transmises à l appareil dépendent de la résolution des signaux analogiques. Ceci tient compte de la qualité des conducteurs, des connecteurs et des appareils de mesure des paramètres de l eau. Une résolution élevée permet de faire de meilleures conversions analogique/numérique, ce qui est souhaitable afin d améliorer la précision des calculs de commande. On attribue la note de 6% pour ce critère qui est calculé selon la relation : R (4.2) 3 où R correspond à la résolution (une résolution minimale de 0.015V est demandée, donc, à 0, R correspond à cette valeur, mais une résolution plus précise donne une meilleure note.) Fréquence d échantillonnage Une fréquence accrue de lecture des paramètres de l eau permet d améliorer la justesse des algorithmes de commande. Ainsi, plus la fréquence d échantillonnage est grande, mieux c est. Par contre, si la fréquence d échantillonnage est trop élevée, le système de calcul est saturé, ce qui n est pas souhaitable. La valeur minimale demandée est de 1 Hz, ce qui correspond au minimum requis (note de 0), et plus la fréquence est élevée, plus la note tend vers 1. La cote, qui vaut 4%, est donc calculée de la façon suivante : Fréquence des envois 1 1 f ech (4.3) Les données mesurées et calculées par le système local doivent être envoyées au centre de contrôle. La fréquence minimale stipulée est de 0.2 Hz. En augmentant la fréquence d envoi, on rend le calcul de statistiques plus juste, ce qui est souhaitable. La fréquence minimale de 0.2 Hz donne une cote de 0, et plus la fréquence augmente, plus la note tend vers 1. On attribue une importance de 4% à ce critère. La règle de calcul de la note est : 1 1 (4.4) 5 f env Volume du boîtier La valeur maximale demandée est de 0.04m 3, mais il peut être intéressant pour le client d avoir un boîtier plus petit afin de faciliter le remisage. En effet, il faut absolument que le boîtier soit amovible et facilement portable, et un petit volume permet d aider à la portabilité. Donc, plus le volume est petit, plus la note attribuée s approche de 1. On attribue une importance de 4% à ce critère. La règle qui régit cette note est : 1. Millions d instructions par seconde 1 25 V (4.5)

16 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Robustesse du boitier de commande Le système Qualit Eau visant la gestion des piscines, il est évident que les appareils doivent être suffisamment étanches pour fonctionner correctement en milieu humide. Nous attribuons donc à ce critère une cote de 5%. Nous évaluerons ce critère selon l indice de protection (IP) de la Commission électrotechnique internationale relatif à l étanchéité. On donne pour ce critère, les cotes présentes dans le tableau 4.2. IP 64 1 IP IP IP inférieur à 40 0 Tableau 4.2 Évaluation de la robustesse du boitier 4.2 Centre de gestion Capacité de transfert des données La capacité de notre système à recevoir les données est un autre aspect pris en considération afin de développer un système fonctionnel. On le quantifie en calculant le nombre de Gigaoctets que les dispositifs envoient au système pour un mois. On calcule la multiplication des 800 dispositifs, des 24 E/S 2, du 16 bits du système et des secondes dans 1 année. On divise, ensuite, par 8 pour avoir une représentation en octets et par 12 pour avoir une représentation mensuelle. Après conversion, cela nous donne Go 3. Les derniers facteurs à considérer pour la capacité de transfert sont les autres données externes provenant des interfaces personnes-machines. On assume que ces valeurs sont négligeables en comparaison avec celles des dispositifs. La pondération de ce critère est de 6% en raison de l importance du système à gérer tous les données entrantes. On calcule, donc, la capacité de transfert des données du système, en Go, selon la relation : f envoi (4.6) où f envoi est le la fréquence d envoi du dispositif vers le centre de gestion. Pour une capacité de transfert inférieure à Go, un concept reçoit la note de 0. Pour Go et plus, on attribue la note de Capacité du système à effectuer les tâches Le système de gestion informatique doit effectuer une multitude de tâches au niveau du processeur afin de renvoyer les bonnes données aux endroits appropriés dans des délais raisonnables. Chaque requête reçue des dispositifs, des clients via l interface web et des différents techniciens représente une tâche. Naturellement, plus la valeur est haute, plus performant est notre système. Ce critère a une pondération de 9% en raison de l importance du système à fournir. Il s agit de mesurer la capacité du système à effectuer ces tâches en tâches/seconde selon : 1 (4.7) S où S est le temps moyen pour exécuter une tâche. Pour un système qui effectue moins de 200 tâches par seconde, un concept reçoit la note de 0. Pour 1000 et plus, on attribue la note de Entrées/Sorties 3. Gigaoctets

17 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Durée d archivage Le mandat du client comprend un besoin d archivage d une durée de 5 ans minimum. Cette obligation représente un nombre d années minimum de rétention de données. Le maximum d années pour la rétention des données n est pas défini, mais nous considérons 10 ans comme étant le maximum. Après 10 ans, la rétention de données devient superflue, car les systèmes risquent d être remplacés et les données inutiles. On peut facilement quantifier ce critère en prenant le nombre minimum de données transférées pour les 4 mois d opération de Go, définie lors du calcul de la capacité de transfert des données, et en le multipliant par le nombre d année que l on désire N a. Un archivage inférieur à Go reçoit la note de 0. Pour un archivage de Go et plus, on donne la note de 1. La pondération de ce critère est de 5% car il crucial de respecter le 5 ans d archivage N a (4.8) 4.3 Support aux techniciens Efficacité du système de localisation Le système Qualit Eau doit localiser le technicien disponible le plus proche du lieu d intervention et lui transmettre le meilleur itinéraire pour y arriver. Il est donc nécessaire que le système détermine avec une grande précision les positions des différents techniciens. La disponibilité du support technique étant essentielle, nous attribuons donc à ce critère un pourcentage de 7%. Pour ce critère nous évaluerons le sytème selon le rayon d incertitude de la localisation. Nous établirons à cet effet le barème présent dans le tableau 4.3. Entre 5 et 10 m 1 Entre 10 et 15 m 0.85 Entre 15 et 50 m 0.6 Plus de 50 m 0 Tableau 4.3 Évaluation du système de localisation Portabilité des appareils Dans l optique de réaliser un support technique efficace, il est important que les appareils des techniciens soient aisément transportables afin de faciliter les interventions. Nous attribuons à ce critère une pondération de 3%. Nous mesurerons ce critère selon la taille en pouces, des écrans des appareils utilisés. Nous évaluerons ce critère selon le tableau 4.4. Moins de 7 pouces 1 Entre 7 et 10 pouces 0.75 Entre 15 et 10 pouces 0.5 Plus de 15 pouces 0 Tableau 4.4 Évaluation de la portabilité des appareils

18 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Interaction avec l utilisateur Ergonomie de l interface locale L utilisateur contrôlera par le biais de l interface locale, les différents paramètres du système Qualit Eau. Puisque l interface locale représente la seule partie du système où il y a interaction avec l utilisateur, sa pondération est établie en conséquence à 5%. Cette interface locale doit être ergonomique et avoir un fonctionnement rapide, efficace et facile d utilisation pour l utilisateur. Via l interface locale, l utilisateur doit pouvoir visualiser les informations actuelles de son système. Or, l ergonomie du dispositif de commande représente la partie critique du dispositif. Le tableau 4.5 indique comment le critère d efficacité est évalué. Interface très rapide, facile d utilisation 1 Interface rapide, facile d utilisation 0.75 Interface lente, facile d utilisation 0.50 Interface rapide, utilisation complexe 0.25 Interface lente, utilisation complexe 0 Tableau 4.5 Évaluation de l ergonomie de l interface locale Ergonomie de l interface en ligne Une interface en ligne est à la disposition des utilisateurs pour qu ils puissent visualiser leur dossier contenant diverses informations. L utilisateur peut utiliser ce service pour effectuer le paiement des frais de services. Il est donc primordial que cette plateforme en ligne soit extrêmement sécuritaire, lui attribuant donc une pondération de 10%. L utilisateur doit être apte à utiliser toutes les fonctions de l interface en ligne avec aisance. Le tableau 4.6 regroupe le barème d évaluation utilisé. Interface très sécuritaire, facile d utilisation 1 Interface très sécuritaire, utilisation complexe 0.75 Interface sécuritaire, facile d utilisation 0.50 Interface sécuritaire, utilisation complexe 0.25 Interface plutôt sécuritaire, peu importe la facilité de l utilisation 0 Tableau 4.6 Évaluation de l ergonomie de l interface en ligne

19 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Considérations globales Coût de production Afin de rendre le système le plus rentable possible, il est impératif de minimiser le coût de ses composantes. Chaque composante du système influence le coût de fabrication et doit être choisie en conséquence et le coût total ne doit pas dépasser 750$ sur 5 ans. Étant donné qu un coût trop élevé rend impossible la mise en marché du système Qualit Eau, cet objectif a une pondération de 10%. Le tableau 4.7 présente le barème des cotes en tenant compte du prix. [0 ; 350[ Excellent [350 ; 600[ Bon [600 ; 750] Satisfaisant Plus de 750 Insatisfaisant Tableau 4.7 Évaluation de la rentabilité de la production Coût d opération Les opérations, bien qu automatisées, nécessiteront tout de même des ressources humaines dont le coût est à considérer. Cependant, en optimisant le travail des techniciens, cette facture peut être diminuée. Le coût d opération tient compte aussi de toutes les activités liées au centre de gestion (main-d oeuvre, consommation électrique, service à la clientèle, etc) ayant une importance relative de 5%. Toutefois, comme le coût total à ne pas dépasser inclut à la fois les coûts de production et d opération, ces deux critères sont évalués ensemble, pour un total de 15% de la note, selon le tableau Temps d implantation et de production Le client ayant donné une contrainte de temps, soit l obtention du système au plus tard le 31 janvier 2015, il est important d en minimiser le temps de production. Il faut, par conséquent, utiliser des composantes existantes sur le marché. Puisqu il est primordial de respecter la contrainte, l importance de ce critère est de 5%. Le barème présenté dans le tableau 4.8 sera utilisé pour en faire l évaluation. Avant le 1er octobre Au mois d octobre Au mois de novembre Au mois de décembre Au mois de janvier Après le 31 janvier 2015 Inadmissible Tableau 4.8 Évaluation du temps de la production du système Fiabilité du système La fiabilité du dispositif est un paramètre très important car il permet d avoir une idée de la durée de vie du système. Nous lui attribuons donc une cote de 5%. Ce critère est évalué selon le temps de garantie global de l ensemble du système qui sera déterminé par le plus petit temps de garantie parmi des appareils du dispositif. En prenant 7 ans comme valeur idéale, nous évaluerons ce critère selon le tableau 4.9.

20 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 15 7 ans et plus 1 Entre 3 et 7 ans 0.75 Entre 1 et 3 ans 0.5 Moins d un an 0 Tableau 4.9 Évaluation de la fiabilité du système

21 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Maison des qualités Objectifs Gestion des paramètres de l'eau Centre de gestion Support aux techniciens Interactions avec l'utilisateur Impacts environnementaux Considérations globales Matrice relationnelle Légende: Corrélation forte Corrélation moyenne Corrélation faible Charges Maximiser la stabilité des paramètres Minimiser le temps de réponse aux variations des paramètres Mémoriser les paramètres voulus Maximiser la mobilité du dispositif Faciliter les communications client-compagnie Faciliter les communications compagnie-techniciens Faciliter les communications système local-centre de gestion Maximiser l'espace de stockage des données Optimiser le calcul de statistiques Maximiser les capacités d'échanges entre les différents acteurs Maximiser la précision de la géolocalisation Optimiser les calculs d'itinéraire Maximiser la fiabilité du système Minimiser les risques de panne Faciliter la réparation des appareils Minimiser les temps d'intervention Maximiser l'intuitivité des interfaces Maximiser la sécurité de l'accès au dispositif de commande Faciliter les échanges en ligne Maximiser la sécurité des informations confidentielles Optimiser le dosage de produits chimiques Optimiser l'utilisation de la pompe et du chauffage Minimiser la consommation d'eau courante Minimiser les coûts d'implantation Minimiser les coûts d'opération Maximiser la disponibilité du système Rapidité des calculs Résolution des signaux Fréquence d'échantillonnage Fréquence des envois Volume du boîtier Robustesse du boîtier de commande Capacité de transfert de données Capacité du système à effectuer des tâches Durée d'archivage Efficacité du système de localisation Portabilité des appareils Ergonomie de l'interface locale Ergonomie de l'interface en ligne Coût de production Coût d'opération Temps d'implantation et de production Fiabilité du système Bornes minimales V 1 Hz 0.2 Hz Bornes maximales 0.04 m^3 750$ Figure 4.1 Maison des qualités

22 Chapitre 5 Conceptualisation et analyse de faisabilité 5.1 Diagramme fonctionnel Pour créer ce diagramme, nous sommes partis de chaque fonction que le système devra effectuer, et nous avons relié les intrants et extrants du système global et de chaque fonction ensemble. Il y a donc les intrants du système, soient les clients et leurs apports aux système, ainsi que les lectures analogiques des différents paramètres de l eau. En sortie globale, il y a les informations données au client sous forme d interface web, et les signaux de commande des appareils de la piscine. Figure 5.1 Diagramme fonctionnel 17

23 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ Élaboration des concepts de solution Chaque fonction trouvée a été analysée et différentes pistes de solution sont présentées dans cette section. Certaines sont très prometteuses et sont retenues, d autres répondent assez bien aux exigences pour être retenues, mais il y aurait place à l amélioration et enfin, certains concepts sont rejetés Calculer les algorithmes de commande Pour cette fonction, le système reçoit en entrée les valeurs des paramètres spécifiées par l utilisateur, ainsi que les signaux analogiques (1V à 5V) de lecture des paramètres de l eau. À partir de ces données, il devra calculer un algorithme de commande, afin d assurer une stabilité optimale des paramètres. En sortie, la fonction doit retourner des signaux analogiques (1V à 5V) qui serviront à commander les appareils propres à la piscine (hors de notre système), ainsi que les informations à envoyer au centre de gestion. Il faut considérer que les signaux analogiques devront être convertis en signaux numériques afin que les appareils de calcul puissent fonctionner, puis les résultats devront être reconvertis en signaux analogiques. Le système retenu devra donc effectuer ces deux sous-fonctions. Trois scénarios sont proposés pour effectuer cette fonction. Comme il existe des sous-fonctions à cette dernière, certains concepts effectueront les tâches séparément, alors que d autres permettent de tout faire avec un seul appareil. Aspects économiques : Le concept doit avoir le meilleur ratio qualité/prix Le concept doit contenir des composantes facilement assemblables pour minimiser le coût d assemblage Aspects physiques : Le concept doit être robuste et bien intégré Le concept doit prévoir les intempéries Aspects socio-environnementaux : Le concept doit consommer peu d énergie Aspects temporels : Le concept doit être fiable Le concept doit être facile d entretien Pour ce qui est de l algorithme de commande, nous prioriserons le type PID 1 pour tous les scénarios proposés, puisqu il est employé dans 95% des boucles de rétroaction en industrie. De plus, comme la résolution minimale des signaux analogiques est de 0,015 V, il faut, au minimum, des conversions sur 9 bits. Donc, les modèles devront tous assurer ce minimum. De plus, les prototypes doivent impérativement répondre aux exigences minimales du client Nano-ordinateur + ADC + DAC Caractéristiques du concept : Le premier prototype est un montage basé sur un nano-ordinateur, soit le Raspberry Pi, qui est à la base une carte mère très abordable fonctionnant sur GNU/Linux et comportant plusieurs connexions. Son coût unitaire est de moins de 45$, mais il est possible de se le procurer avec d autres périphériques de base en "kit" pour quelques dollars de plus. Avec sa vitesse d horloge de 700 MHz, le processeur est beaucoup plus lent que les processeurs modernes, mais beaucoup plus rapide que les microcontrôleurs. Sa taille est comparable à celle d une carte de crédit, et il possède deux ports USB Pour répondre à nos besoins, il faut lui ajouter quelques composantes, 1. Proportionnelle, Intégrale, Dérivée 2. Universal Serial Bus

24 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 19 puisque le produit de base arrive dépourvu au maximum afin que l on ne paye que pour ce dont nous avons besoin. Premièrement, pour recueillir les entrées analogiques et les traiter, il faut ajouter un convertisseur analogique/numérique, qui peut être implanté assez facilement grâce à trois ADC de modèle MCP3428, toujours en production chez Microchip. On peut ensuite brancher le convertisseur à l aide de l interface USB du Raspberry Pi. Selon la même logique, on peut implanter un convertisseur numérique/analogique en sortie avec des DAC de modèle MCP4728. On peut facilement changer le nombre d entrées ou de sorties analogiques du système en ajoutant des ADC et des DAC, qui coûtent entre 2$ et 3$ et qui supportent quatre canaux chacun. Au niveau logiciel, le système d exploitation est ouvert, et il est possible de programmer les processeurs ARM en assembleur de façon gratuite. Par contre, le temps de développement en assembleur est plus important, alors nous comptons au maximum 500$ de coût de développement. Sinon, le système étant basé sur Linux, des langages plus haut niveau peuvent être considérés pour une baisse des coûts, mais aussi des performances. Références : [1], [2], [3] Décision : Retenu Justification : Ce système semble très performant pour le prix relativement bas qu il coûte. Le côté modulaire permet une intégration et un entretien faciles, tout en réduisant les coûts. La connectivité est également très intéressante. De plus, le choix de langage de programmation est très grand. La communauté d aide en ligne pour Raspberry Pi est très grande, ce qui assure un soutien et une disponibilité des pièces à long terme Microcontrôleur + DAC Caractéristiques du concept : Le second prototype est basé sur un microcontrôleur, plus précisément l Arduino Mega, dont l avantage dans notre cas est qu il possède directement 16 entrées analogiques. Sa panoplie de ports supplémentaires (54) permet par la suite d envoyer plusieurs données au centre de gestion, et de convertir les signaux de sortie en signaux analogiques avec les mêmes DAC que le prototype précédent. Ces sorties digitales peuvent aussi alimenter un affichage 7 segments. L Arduino Mega possède un port USB 3 qui permet une intégration et un développement faciles avec des téléphones et tablettes Android, ce qui pourrait simplifier l entretien par les techniciens. De plus, la programmation se fait en langage C, ce qui permet un codage rapide et performant, dont le prix devrait être d environ 250$. Le coût du contrôleur est d environ 70$ pour notre volume de production souhaité. La performance de ce modèle est estimée à 16 MIPS, ce qui est une vitesse de calcul très inférieure à un ordinateur, mais qui a l avantage de consommer beaucoup moins d énergie. Références : [4], [5] Décision : Retenu Justification : Ce prototype a des performances suffisantes pour nos besoins, tout en représentant un bas coût et une intégration facile (les «Shields» permettent une expansion et un entretien facile du système. De plus, c est le concept le plus éco-énergétique, et probablement le plus facile à implanter Tablette intelligente + périphérique USB Caractéristiques du concept : Les tablettes tactiles ont l avantage d avoir une bonne puissance de calcul, une interface intégrée, ainsi que des connectivités sans fil et USB 4 intéressantes. Pour s en servir dans notre système, il faudrait implanter un périphérique USB qui reçoit les signaux analogiques, les convertit et les envoie à la tablette où les calculs se feraient, et qui reçoit les signaux de commande 3. Universal Serial Bus 4. Universal Serial Bus

25 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 20 et les transmet en format analogique. Le même périphérique devrait également assurer l alimentation électrique de la tablette. Le défaut ce ce système est la relative fragilité des tablettes, considérant le fait que le système devra résister aux intempéries pendant l été. Il faut donc faire un caissier imperméable dans lequel nous pourrions mettre la tablette, les connecteurs, et le périphérique USB. Les tablettes varient beaucoup en format, en coût et en fiabilité, mais celles qui ont retenu notre attention sont la Google Nexus 7 pour la qualité globale, le Samsung Galaxy S Wifi 4.2 pour le format compact et la fiabilité, et la Nvidia Tegra 7 pour le rapport qualité/prix. Sinon, on peut opter pour une tablette relativement coûteuse mais réellement faite pour résister à l eau telle que la Sony Xperia Z. Il faut donc faire le choix entre le coût d implantation et la fiabilité. Références : [6], [7], [8], [9] Décision : Rejeté Justification : Le fait que le système serait presque entièrement développé apporte une certaine facilité d implantation, qui est toutefois compensée par le fait que la plupart des tablettes n ont qu un seul port USB, ce qui apporte de grands défis techniques pour le périphérique USB à implanter, qui devrait à la fois s occuper de l alimentation et des conversions A/N et N/A. De plus, le concept non modulaire des tablettes occasionne des dépenses inutiles (car nous n avons pas besoin de la plupart de leurs fonctionnalités), et rend plus compliquées les réparations par nos propres techniciens. Même si ce concept apporterait de plus belles interfaces pour le client, à cause de l expansion rapide du marché, il est difficile de prédire la fiabilité à long terme des produits, particulièrement pour les tablettes à faible coût, d autant plus que de conserver des tablettes dehors pendant plusieurs mois est risqué au point de vue des intempéries et des vols. Concept Faisabilité Économique Physique Socio-env. Temporel Décision Nano-ordinateur Oui Oui Oui, mais Oui Retenu Microcontrôleur Oui Oui Oui Oui Retenu Tablette Non Oui, mais Oui Oui, mais Rejeté Tableau 5.1 Cotes et rétention des concepts proposés - Calcul de l algorithme de commande Entrée des paramètres locaux Parmi les divers composants du système, l utilisateur n entre en interaction qu avec l interface du dispositif local. Celui-ci reçoit en entrée les changements commandés par l utilisateur et envoie par la suite les nouveaux paramètres au système local afin d apporter les corrections demandées. Le dispositif local doit donc disposer d un écran sur lequel sont affichés les divers paramètres du système. L utilisateur peut modifier certains paramètres à sa guise grâce à cette interface. Les critères serviront à étudier les divers concepts d interface locale dont le système pourrait être doté. L interface locale pourrait être commandée par l entremise d un écran avec une application intégrée ou par de simples boutons. Cette fonction est à la base de toutes les fonctions entrantes du système puisque l usager interagit seulement avec cette partie du système Qualit Eau. Aspects économiques : Le concept doit avoir le meilleur ratio qualité/prix Aspects physiques : Le concept doit être simple d utilisation Le concept doit être portatif pour le remisage lors de la saison hivernale Le concept doit être imperméable Aspects socio-environnementaux :

26 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 21 Le concept doit être plaisant d utilisation par l utilisateur Le concept doit être ergonomique Aspects temporels : Les pièces de rechange doivent être disponibles en tout temps Affichage 7-segments + boutons tactiles Caractéristiques du concept : L interface dotée de l affichage minimaliste représente le format le plus simple et le plus abordable des deux concepts présentés. Il est composé de 5 écrans 7-segments LED à affichage double affichant la température, le niveau d eau, le taux de ph et de chlore ainsi que le nombre de litres filtrés par minute. L utilisateur peut modifier ces différents paramètres à l aide de boutons situés au dessus et en dessous des écrans. Les écrans 7-segments sont extrêmement durables et ne consomment presque pas d énergie grâce à leur affichage LED. De plus, ils sont très abordables puisqu ils coutent 1.50$ l unité, avec la possibilité de réduire le coût total si ils sont achetés en vrac. De plus, il est extrêmement facile de les implémenter dans un circuit logique. Les boutons tactiles de 4,5mm 4,5mm ont un prix de 0,107$ l unité lors d un achat en vrac de 8000 capteurs s il y en a 10 par système. La fiabilité de ces capteurs est excellente, estimée à cycles d utilisation. Les composants seront recouvert d un vinyle qui respecte le critère d étanchéité expliqué dans la section La figure A.1 est un aperçu de l affichage minimaliste décrit auparavant. Le moniteur du niveau d eau affiche le niveau de l eau par rapport au niveau de référence qui est à la moitié de l écumoire présent dans la piscine. Il peut afficher un nombre de centimètre négatif jusqu à une concurrence de 9 centimètres. Toutefois, le système aura normalement corrigé la situation bien avant que le niveau soit négatif. Le nombre de litres filtrés par minute peut être incrémenté afin d augmenter la vitesse de la pompe, ce montant est toutefois limité afin de préserver la vie de celle-ci. Références : [10], [11] Décision : Retenu, mais Justification : L ergonomie de cet interface peut ne pas correspondre aux goûts de chaque utilisateur, habitués à interagir avec des interfaces utilisateur plus dynamiques. Par contre, l utilisation d un affichage simple et de contrôles minimalistes rend le système beaucoup moins coûteux, en plus d être à l abri des bris puisque ces composants possèdent une excellente durée de vie puisqu ils sont sur le marché depuis très longtemps. De plus, l interface, bien que moins dynamique, est très simple et convient à tout le monde, y compris les gens moins à l aise avec la technologie Écran tactile intégré Caractéristiques du concept : Il est possible d utiliser un écran tactile afin d afficher les différents paramètres du système local. Plusieurs écrans respectant les dimensions du boitier local sont disponibles sur le marché. Il y a premièrement l écran Adafruit PiTFT Mini Kit, doté d une dimension de 2.8 pouces, d une résolution de 320 par 240 pixels et d un jeu de couleur 16 bits, il peut être acquis au coût de 27,96$ l unité lors d un achat en vrac de plus de 100 unités. Ce dernier vient avec tous les composants nécessaire afin d être utilisé comme périphérique de sortie du nano-ordinateur Raspberry Pi décrit à la section L écran est tactile et plusieurs composants comme des boutons physiques peuvent être ajoutés et configurés afin d effectuer des fonctions spécifiques. Deuxièmement, l écran Adafruit TFT, doté du même prix et des mêmes caractéristiques que le PiTFT Mini Kit, est disponible sur le marché. La seule différence entre ces deux composants est sa compatibilité avec le microcontrôleur Arduino Mega. Références : [12], [13] Décision : Rejeté