La maison «intelligente» Daniel ROGER

Transcription

1 Pôle de Béthune Service d Education Permanente Interpôles Artois La maison «intelligente» Daniel ROGER Faculté des Sciences Appliquées Technoparc Futura BETHUNE Catherine Ribu

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3 Fonctions d un système domotique 1. Etre réceptif à des données multiples - Ordres directs binaires (0 1) - Mesures de grandeurs physiques intérieures ou extérieures (température, humidité, vitesse du vent, éclairement ) - Messages externes (téléphone, internet) - Messages internes complexes (son, image ) 2. Analyser les données en fonction d un programme prédéfini dans le but d élaborer des ordres - Gérer le chauffage et l éclairage pour minimiser les dépenses énergétiques - Assurer la sécurité - Optimiser le confort 3. Effectuer les actions qui correspondent aux ordres élaborés, les vérifier et en rendre compte - Commander l éclairage et le chauffage - Déclencher une alarme -

4 Liaisons externes Tel, internet TV Schéma synoptique Commande centralisée Ordinateur Téléphone Télévision Bus de liaison C C C A A A IHM Capteurs Thermostats, boutons, détecteurs IR, microphones Actionneurs Chauffage de chaque pièce, volets roulant, éclairage, alarme Interface de commande : réglages

5 Qu est-ce qu un bus de liaison? Un support matériel des signaux échangés + Un protocole de communication 3 supports matériels possibles: - Réseau câblé spécifique (Ethernet, DALI, MoCa ) - Ondes électromagnétiques (Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee) - Réseau électrique 230V/50Hz de la maison Protocole de communication = ensemble des règles à suivre pour savoir à tout moment : - qui a demandé la liaison pour transmettre une information - à qui est destinée l information qui transite sur le bus Chaque appareil connecté au bus a une adresse qui lui est propre

6 Utilisation du réseau 230V/50Hz comme support de transmission tension (V) temps (ms) tension (V) temps (ms)

7 Signal complexe Analyse de Fourier ( v(t) V(f) ) Valeur efficace de la composante (V) Fréquence (Hz) Spectre du signal donné en exemple

8 Pour transmettre un signal quelconque, il faut: - injecter une porteuse, - moduler la porteuse Il existe de nombreuses autres modulations possibles: fréquence phase, Impulsions, BLU

9 Modèle théorique de la transmission : circuit électrique équivalent Ligne externe? Tronçons des lignes internes Wh Réseau 230V/50Hz Compteur Éléments du système domotique Inductance modélisant les effets magnétiques de la ligne -- L (H) Condensateur de faible valeur laissant passer la porteuse modulée et pas le 50Hz -- C (F)

10 Le courant Haute Fréquence (HF) porteur de l information I est limité par : - la tension du générateur HF qui fournit la porteuse U (quelques volts) - l impédance de la ligne Z=L.(2πf) I#U/Z L inductance L d un tronçon de ligne est proportionnelle à sa longueur, de l ordre de 1µH/m Ce type de liaison est donc limité par la longueur des lignes, le débit est assez faible car la fréquence de la porteuse est également limitée. Des techniques plus évoluées permettent de limiter cet inconvénient : - modulation de la porteuse - compression numérique du signal à transmettre L utilisation d un réseau spécifique lève cette limitation car le câble torsadé ou coaxial utilisé a des dimensions bien définies et stables. La théorie de la propagation des ondes sur les lignes devient applicable.

11 La ligne torsadée ou coaxiale connecte une seule source à une seule charge en respectant le principe de l adaptation des impédances Zs=Zc=Z L (théorie des lignes de transmission). Le débit de la transmission est beaucoup plus élevé. Zs= 50Ω Zc=50 Ω Z L = 50Ω Source Ligne coaxiale ou torsadée Charge Il n y a pas de dérivations «sauvages», elles sont faites par des appareils (les hubs) qui respectent le principe de l adaptation des impédances. Zc dépend du diamètre des fils et de la permittivité de l isolant

12 Liaison par une onde électromagnétique TEM H direction de propagation E: Champ électrique (V/m) H: Champ magnétique (A/m) Longueur d onde (m) Impédance d onde (Ω) c= km/s 377Ω Densité surfacique de puissance (W/m²) P=ExH

13 Principales fréquences utilisées

14 λ (nanomètres)

15 La lumière peut être considérée comme une onde électromagnétique La principale différence par rapport à une onde électromagnétique classique est la nature corpusculaire de la lumière: chaque photon résulte d un changement de niveau d énergie d un électron (Mécanique quantique). Un photon est une onde électromagnétique, d une longueur d onde précise, qui ne dure qu un temps très court (aspect corpusculaire).

16 Les liaisons infrarouges se font sur le même principe: la lumière infrafouge (IR) est émise par une diode LED qui émet dans l IR. Elle est associée à un phototransistor IR qui fonctionne dans la même bande de fréquence

17 Transmission des ondes dans différents milieux La vitesse de phase est plus petite dans les matériaux isolants, ce phénomène est à l origine de la réflexion et de la réfraction des ondes. air ε R 1 v ϕ = c ε R Les ondes dissipent leur énergie par les matériaux conducteurs (absorption) eau pure ε R 100 Matériau faiblement conducteur

18 Matériaux conducteurs effet de peau La grandeur caractéristique est l épaisseur de peau δ (m) 1 amplitude relative σ: conductivité électrique (σ=1/ρ ; ρ:résistivité (Ω.m)) ω=2πf ; fréquence angulaire (rd/s) µ : perméabilité magnétique absolue (H/m) Exemple: corps humain x/δ Profondeur de pénétration = épaisseur de peau

19 Exemple de matériau: le cuivre (ρ=1, Ω.m; µ=µ 0 =4π.10-7 H/m) fréquence δ 50 Hz 9,38 mm 60 Hz 8.57 mm 10 khz 0.66 mm 100 khz 0.21 mm 1 MHz 66 µm 10 MHz 21 µm Au-delà d une certaine fréquence, les ondes électromagnétiques ne pénètrent pratiquement pas dans les matériaux conducteurs. Ils se comportent comme des miroirs. Les matériaux de construction des maisons ne sont pas parfaitement isolants, ils atténuent d autant plus les ondes électromagnétiques que leurs fréquences sont élevées.

20 Chambre anéchoïque pour faire des mesures de compatibilité électromagnétique

21 Fonctionnement d une antenne E Courant dans l antenne L=λ/2 L=λ L=3λ/2 Antenne dipôle (sensible au champ électrique) L=2λ

22 Cas le plus répandu: l antenne «quart d onde»

23 Applications orientées «alarme» Principales caractéristiques - Liaisons hertziennes - Alimentations des éléments par pile (peu de câblage), - Sécurité usuelle : double porteuse avec logique négative (les éléments communiquent en permanence sur un canal et confirment les informations sur l autre)

24 Le détecteur de présence infra rouge (IR) est un élément important du système d alarme La lentille de Fresnel concentre les émissions IR des objets chauds de la pièce surveillée vers un capteur central de petite teille Le détecteur de présence est en liaison permanente avec la centrale d alarme

25 Le détecteur de présence IR mesure les mouvements des objets (il ne donne pas l alarme pour un radiateur qui chauffe). La sensibilité est liée à surface mobile et à sa température Image obtenue avec une caméra thermique (lentilles classiques), elle donne la température de chaque partie de l objet observé

26 Système domotique plus complet

27 Quelques sources d informations