Polytech Projets Ge

h1=. P12AB01 Carte Télécommande pour Pilonne Eolien Windela

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h2. Projet GE2-GE3 2012

N° P12AB01

- *%{color:red}Entreprise%* : WINDELA (http://www.windela.fr/)

- *%{color:red}Client%* : M. AUDUBERT

- *%{color:red}Tuteur Industriel%* : M. FICKINGER

- *%{color:red}Responsable projet%* : M. LAFFONT

- *%{color:red}Equipe projet%* : Said LAKBAIDI / Sylvain THIERY

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h2. *TABLE DES MATIERES*

[[1. Résumé]] 

[[2. Abstract]] 

[[3. Introduction]] 

[[4. Présentation du sujet]]

[[5. Cahier des charges]]

[[6. Développement]] 

p(((. [[1. Mode Manuel]] 

[[2. Extinction de la vasque]] 

[[3. Gestion du Temps]] 

p(((((. [[1. Module GPS]] 

[[2. Evolution du temps]] 

p(((. [[4. Réduction de la taille de la télécommande]] 

[[5. Réduction de la consommation de la carte réceptrice]] 

p(((((. [[1. Coupure d’alimentations du GPS]] 

[[2. Augmentation de la valeur des résistances]] 

[[3. Changement des régulateurs de tension]] 

[[4. Mise en basse consommation du module Xbee]] 

[[5. Mise en basse consommation du microcontrôleur]] 

[[6. Bilan de consommation]] 

p(((. [[6. Communication avec les capteurs]] 

p(((((. [[1. Capteur crépusculaire]] 

[[2. Capteur de présence]] 

p(((. [[7. Communication télécommande/carte réceptrice]] 

p(((((. [[1. Présentation Xbee S2]] 

[[2. Gestion de la communication]] 

p(((. [[8. Performances]] 

p(((. [[9. Estimation des coûts]] 

[[7. Gestion de projet]] 

[[8. Bilan]] 

[[9. Notes d'application]]

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h1. *1) Résumé*

Ce projet concernant la gestion de l'éclairage d'un pylône éolien est fourni par la société WINDELA. Celle-ci commercialise des pylônes d’éclairage public autonomes en énergie et souhaiterait pouvoir maîtriser la consommation de ces pylônes.

Lors de l’année scolaire 2010/2011 (projet P11A06) , un groupe d'étudiants a travaillé sur un système qui permet à l’utilisateur de définir certains paramètres d’allumage de la vasque en fonction de :

- La présence d’une personne,

- La luminosité ambiante,

- La détection d’une tranche horaire.

Pour cela ils ont réalisé deux cartes. La carte « réceptrice » est implantée sur le pylône éolien et elle comporte les différents capteurs qui permettent de détecter les personnes, la luminosité extérieure ainsi que l’heure de la journée. De plus cette carte peut recevoir des données qui proviennent de la carte télécommande. Cette dernière, détenue par l’utilisateur, permet de régler la puissance d’éclairage de la vasque en fonction des différents paramètres énoncés ci-dessus.

L'objectif est, dans un premier temps, de finaliser le système qui a été conçu l'an dernier, puis d'apporter des améliorations supplémentaires.

*Mots Clefs* : Énergie renouvelable, liaison sans fil, puissance d'éclairage, gestionnaire d'énergie, réseaux.

*%{color:red}Haut de page%*

h1. *2) Abstract*

Our project on the management of the lighting of a wind tower is provided by the company Windela. The latter makes autonomous public lighting towers and would be able to control the consumption of pylons.

Last year (2010/2011), a group of students worked on a system that will allow the user to define parameters of lighting depending on :

- Presence of a person,

- Ambient light,

- Detection of a time slot.

For this, they made ​​two cards. The first one called reception card is located on the wind tower and includes the various sensors to detect people, the ambient light, and the time. Also this card can receive datas from the remote control card. The latter, owned by the user adjusts the light output of the basin as a function of various parameters listed above.

Firstly, our purpose is to conclude the device designed by our predecessors and then we have to bring some additional improvements.

*%{color:red}Haut de page%* 

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h1. *3) Introduction*

Dans le cadre de leurs études en Génie Electrique à Polytech’Clermont-ferrand, anciennement CUST, les étudiants réalisent un projet industriel proposé par une entreprise. Ce projet représente un volume horaire de 50 heures en deuxième année pendant lesquelles ils doivent réaliser une étude de faisabilité et de 250 heures en troisième année afin de réaliser le produit final.

Ce projet industriel a pour objectif de familiariser les étudiants à la gestion d’un projet et ainsi de les rendre autonomes dans leur futur métier d’ingénieur. Pour cela, ils sont encadrés par des professionnels.

Windela travaille sur les thématiques de réduction de consommation d'énergie en proposant une solution dans l'éclairage public. Elle commercialise des pylônes d'éclairage public autonomes utilisant l'énergie éolienne (voir figure 1). Ces systèmes répondent à la forte demande du marché, et respectent les exigences des clients au niveau de l'autonomie et de la basse consommation.

Ce système d’éclairage se présente sous la forme d’un pylône de 6 mètres pourvu à son sommet d’une éolienne qui permet de charger des batteries qui servent à alimenter une vasque équipée de LEDs ce qui réduit la consommation d’électricité. 

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h3=. figure 1 : Pylône Eolien

L'étude porte sur la réalisation d’une carte télécommande qui permettra à l’utilisateur de régler l’intensité lumineuse de la vasque en fonction de la détection de présence, de la luminosité ambiante ainsi que des plages horaires prédéfinies.

La réalisation d'une carte réceptrice qui sera implantée sur le pylône est également nécessaire. Celle-ci recevra les données provenant de la télécommande pour réguler l’éclairage en fonction de ces paramètres.

Un tel projet se justifie par une demande des clients de Windela qui souhaitent pouvoir régler la puissance d'éclairage de leurs pylônes, mais également pour minimiser le temps de maintenance dépensé par les techniciens de l'entreprise.

L'objectif est, dans un premier temps, de finaliser le travail effectué par nos prédécesseurs, puis d'apporter des améliorations comme la conception d'un système qui mesure l'état des batteries des pylônes, la mise en réseau des pylônes pour une configuration groupée de ces derniers, la réduction de consommation des cartes réceptrices et la réduction de la taille de la télécommande éventuellement avec un écran tactile.

Dans un premier temps, nous présenterons le sujet plus en détail ainsi que le cahier des charges qui a été établi, puis nous décrirons les solutions choisies pour la finalisation et les améliorations apportées au produit. Pour terminer, nous présenterons l'organisation et la gestion mise en place pour mener à bien notre projet.

*%{color:red}Haut de page%* 

h1<. *Présentation du Sujet*

La forte demande du marché des systèmes autonomes et la concurrence ont mené l'entreprise Windela à nous confier ce sujet qui consiste à concevoir un système de gestion d'éclairage à basse consommation, qui ne nécessitera aucun apport d'énergie extérieure.

Ce système existe déjà sur le marché sous la forme d’un pylône de 4m avec une éolienne à son sommet, une vasque d’éclairage économique à LEDs et un pack de batteries à sa base. Le but de ce projet est d'optimiser sa consommation au maximum, c'est à dire que l'éclairage se règlera selon trois facteurs:

- La présence d'une personne à proximité

- La détection d'une plage horaire programmée

- La luminosité insuffisante.

Représentés sur cette figure 2:

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*%{color:red}Haut de page%* 

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h2<. *Cahier des Charges*

Notre projet consiste à concevoir deux cartes électroniques :

La carte réceptrice qui sera implantée sur le pylône, elle gérera la puissance de l’éclairage et sera munie d’un microcontrôleur qui va assurer les contraintes listées dans le tableau ci-dessous :

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16511/CDC1_20130106125049_20130106125411.png!

h3=. figure 3 : Cahier des Charges 1

La deuxième carte est la carte télécommande. Elle sera l’interface à travers laquelle l’utilisateur pourra modifier la configuration de la carte réceptrice et ainsi changer la puissance de l’éclairage de la vasque, cette carte remplira les fonctionnalités et les contraintes énoncées ci-dessous : 

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16512/CDC2_20130106125049_20130106125430.png!

h3=. figure 4 : Cahier des Charges 2

FP : Fonctionnalité principale.

C : contraintes.

Vert : les contraintes et fonctionnalités assurées.

Orange: les contraintes et fonctionnalités en cours de développement.

Rouge: les contraintes et fonctionnalités non assurées.

*%{color:red}Haut de page%* 

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h1. *6) Développement*

Dans ce chapitre, nous allons présenter concrètement les études que nous avons menées ainsi que les modifications sur les cartes que nous allons réaliser pour arriver au produit final. Une bonne partie de la conception est présente sur le wiki du groupe d'étudiants qui nous a précédé.

h1. *6.1) Mode Manuel*

Le cahier des charges impose une fonctionnalité qui permet de pouvoir commander l'éclairage de la vasque à tout moment. Ainsi, le client peut, grâce à la télécommande, voir en temps réel quelle puissance d'éclairage sera appropriée pour la configuration future du pylône. Pour effectuer cette fonctionnalité, nous avons mis en place un mode de communication spécial entre la télécommande et la carte réceptrice du pylône. Le fonctionnement de ce mode est accessible à l'utilisateur grâce aux étapes décrites ci-dessous :

1) Appui sur le bouton « Manuel » de la télécommande

2) Réglage en temps réel de l'éclairage avec les boutons d'incrémentation et de décrémentation de la télécommande

3) Fin du mode « Manuel » avec le bouton « Annuler »

Ce mode suit des algorithmes sur les deux cartes qui sont les suivants :

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h3=. figure 5 : Algorithmes du mode manuel

*%{color:red}Haut de page%*

h2. *6.2) Extinction de la vasque*

Le système doit prévoir l'extinction de la vasque si les batteries des pylônes sont presque déchargées. Le pylône stocke dans les batteries de l'électricité créée par une éolienne. Si l'éolienne n'est pas en fonctionnement, les batteries, qui alimentent la vasque d'éclairage, vont se décharger petit à petit. Pour éviter la décharge complète des batteries, notre carte réceptrice ne doit plus commander l'éclairage des vasques lorsque la tension d'alimentation de la carte passe en dessous de 12 V. Cette baisse d'alimentation est la conséquence de la décharge des batteries.

La commande d’extinction des vasques nécessite tout d'abord la lecture de la tension d'entrée de la carte par le microcontrôleur. Nous utilisons pour cela un pont diviseur de tension qui adapte la tension d'entrée de 12V à la tension d'alimentation du microcontrôleur qui est de 3.3V grâce à des valeurs de résistances bien définies. Cette tension est ensuite convertie avec un convertisseur analogique numérique interne au microcontrôleur. Dans le programme, la valeur lue va permettre de décider s'il faut, oui ou non, commander la vasque en comparant la valeur lue avec une valeur seuil.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16514/extinction_20130105201403_20130105201423.png!

h3=. figure 6 : Solution implémentée pour l'extinction

*%{color:red}Haut de page%*

h2. *6.3) Gestion du Temps*

Il est important que notre système est une information sur le temps pour fonctionner correctement. En effet, notre carte réceptrice commande l'éclairage en fonction des scénarios qui ont été programmés grâce à la télécommande. Les scénarios sont définis sur des plages horaires, la carte réceptrice doit donc connaître l'heure à tout moment pour appliquer le bon scénario.

Pour réaliser cela, if faut tout d'abord introduire un module qui puisse lire l'heure par liaison sans fil avec une antenne public. Cependant le temps évolue et notre carte ne peut pas passer son temps à lire l'heure sur ce module, donc après avoir stocké l'heure lue par ce module, il faut que notre carte puisse générer une horloge interne initialisée avec l'heure qui a été lue.

h3. *6.3.1) Module GPS*

Nous avons choisi un module GPS EM-406A pour pouvoir lire l'heure. Ce module coûte environ 30 € et permet de lire l'heure grâce à la communication par satellite. Ainsi, un pylône pourra lire l'heure à n'importe quel moment y compris en milieu encombré. De plus, ce module permet de gérer le changement d'heure été-hiver.

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h3=. figure 7 : GPS EM-406

Le GPS peut communiquer avec le microcontrôleur grâce à une liaison série à 4800 baud. Le GPS doit être alimenté en 5V. Nous avons prévu un bornier sur notre carte pour connecter le GPS avec les broches d’alimentation (VCC, GND) et les broches de la liaison série reliées au microcontrôleur (Tx, Rx). Dans notre microcontrôleur, pour communiquer avec la liaison série, nous utilisons le périphérique "UART0":https://fr.wikipedia.org/wiki/UART réglé aux caractéristiques suivantes :

p(((. - Mode asynchrone

- 8 bits de données

- Horloge interne non divisée

- 1 bit de stop

- Pas de parité

- Vitesse de transmission et réception : 4800 baud

- Pas de contrôle de flux

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16516/GPS_micro_20130105203321_20130105203346.png!

h3=. figure 8 : Connexion du GPS au microcontrôleur

Lorsque le GPS est allumé et qu'il a réussi à communiquer avec un satellite, il envoi des trames de type "NMEA":https://fr.wikipedia.org/wiki/NMEA_0183 en continu au microcontrôleur.

La trame que l'on doit traiter doit contenir l'heure et la date pour gérer les changements d'heure été-hiver. Parmi les trames envoyées par le GPS, la trame GPRMC nous donne ces deux informations.

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h3=. figure 9 : Trames utilisées

Le programme que nous avons mis en place sur le microcontrôleur génère une interruption lorsqu'il y a une réception des données. Dans cette interruption, on regarde s'il s'agit d'une trame GPRMC, si c'est le cas on récupère l'heure, les minutes et la date. La date nous permet de rectifier l'heure reçue en la comparant aux périodes d'été ou hiver. De plus, la trame n'est lue que si elle est valide (Status = A) pour plus de sécurité. Pour éviter les erreurs de lecture, nous vérifions également que les valeurs de date et d'heure soient dans les valeurs standards ( ex : 0 < mois <= 12).

De cette façon, notre carte réceptrice possède l'information horaire nécessaire pour pouvoir gérer les plages horaires configurables de notre système.

h3. 6.3.2) Evolution du temps

Après avoir été capable de lire l'heure publique, nous avons mis en place une gestion du temps interne à notre carte pour éviter de lire indéfiniment l'heure sur notre module GPS et ainsi permettre à notre carte de s'occuper des autres fonctionnalités comme la communication avec la télécommande ou la gestion des capteurs.

Notre solution consiste à utiliser des périphériques présents sur notre microcontrôleur qui sont des timers. Un timer est un module qui permet de compter à partir d'une base de temps, il permet également de générer une interruption lorsqu'il a fini un cycle de comptage.

Nous utilisons trois timers avec des valeurs de comptage bien définies pour pouvoir générer une interruption toutes les minutes et faire évoluer notre temps :

p(((. - Timer 1 avec comme base de temps l'horloge du microcontrôleur nous permet de générer une fin de comptage toutes les millisecondes.

- Timer 2 avec comme base de temps le timer 1 (1 ms) nous permet de générer une fin de comptage toutes les secondes.

- Timer 3 avec comme base de temps le timer 2 (1 s) nous permet de générer une fin de comptage toutes les minutes et également de générer une interruption qui permet de faire évoluer la valeur du temps.

*%{color:red}Haut de page%*

h2. 6.4) Réduction de la taille de la télécommande

Durant le déroulement de notre projet, nous avons eu recours à la sous traitance des élèves de génie électrique deuxième année. Nous avons sous-traité la CAO des deux cartes télécommande et réceptrice. La schématique de la carte réceptrice a été modifiée pour plusieurs raisons que nous évoquerons par la suite. Pour la CAO de la télécommande, la schématique reste inchangée, ils ont eu pour mission de réduire sa taille le mieux possible grâce à l'utilisation de composants montés en surface ("CMS":https://fr.wikipedia.org/wiki/Composant_mont%C3%A9_en_surface). Grâce au logiciel "Solidworks":https://fr.wikipedia.org/wiki/SolidWorks, ils ont créé un prototype de la télécommande.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16518/solidwork_telecommande_20130105205332_20130105205403.png!

h3=. figure 10 : Simulation 3D de la télécommande

Leur solution a été de créer une carte principale contenant le microcontrôleur, le module Xbee, les régulateurs.. Ils ont également créé une carte clavier qui contient tous les boutons de la télécommande et qui vient se connecter sur la carte principale, l'afficheur vient également se connecter à la carte principale. On obtient au final une télécommande à deux étages qui peut être placée dans un boîtier de dimensions 120x95x40 mm. La pile 9V rechargeable se situe sous les deux cartes. Après avoir créé, soudé et mis en boîtier les cartes, nous obtenons le résultat présenté sur la photo ci-dessous :

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h3=. figure 11 : Prototype final de la télécomande

Cette télécommande a été réduite de plus de la moitié par rapport à l'ancien prototype et devient donc bien plus maniable pour le client et bien plus satisfaisante par rapport à la contrainte du cahier des charges.

*%{color:red}Haut de page%*

h2. 6.5) Réduction de la consommation de la carte réceptrice

Une contrainte du cahier des charges nous impose une consommation inférieure à 1 mA. Pour satisfaire cette contrainte, nous avons mis en place plusieurs solutions qui interviennent sur la schématique de la carte, les choix de composants ainsi que sur l’utilisation de mode basse consommation de certains composants présents sur la carte.

h3. 6.5.1) Coupure d’alimentations du GPS

Tout d’abord nous avons changé la schématique de la carte réceptrice pour couper l’alimentation du GPS. Le GPS est un module qui consomme 70 mA lorsqu’il est activé et il n’est utilisé qu’une fois par jour pendant deux minutes environ. Nous l’allumons donc seulement pendant deux minutes et l’éteignons le reste de la journée. Pour commander l’arrêt du GPS, nous utilisons le montage suivant :

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h3=. figure 12 : Coupure d’alimentations du GPS

La broche du microcontrôleur est une sortie que nous commandons à l’aide de notre programme. Lorsqu’elle est à 0, la base du transistor est bloquée et l’alimentation fournie au GPS est coupée. Si la broche est à 1, le transistor est commandé à la fermeture, le GPS est alors bien alimenté.

Nous avons également mis en place le même système pour l’alimentation du capteur crépusculaire car il consomme 500 µA, nous l’éteindrons donc en pleine journée si nos résultats sur la consommation sont insuffisants.

h3. 6.5.2) Augmentation de la valeur des résistances

Nous avons augmenté la valeur des résistances sur les ponts diviseurs de tension pour minimiser la consommation.

p=. !https://forge.clermont-universite.fr/attachments/download/16521/pont_20130105223757_20130105223816.png!

h3=. figure 13 : Pont diviseur de tension

En considérant que Re est très grand devant R2, donc ie proche de 0 A, si on veut par exemple avoir VE2 = 5 V avec VE1 = 10 V :

VE2 = VE1 x R2 / (R1 + R2)

il faut donc R2 = R1

Pour R1 = R2 = 1kΩ :

Le courant perdu consommé par ce pont est le courant i1 qui est de :

i1 = VE2/R1 = 5/1000 = 5 mA

Pour R1 = R2 = 100kΩ :

Le courant perdu est de :

i1 = VE2/R1 = 5/100000 = 50 µA

La consommation a baissé, nous avons donc choisi des résistances supérieures à 100 kΩ pour tous les ponts diviseurs de tension utilisés.

h2. 6.5.3) Changement des régulateurs de tension

Le régulateur de tension utilisé auparavant sur la carte réceptrice pour baisser la tension d'entrée de 12V à 5V était un LM7805, nous avons constaté que sa consommation interne était de 6mA (quiescent current Iq) quelque soit la charge connectée en sortie du régulateur.

Nous avons donc choisi un nouveau régulateur basse consommation (low-Iq) qui est le MIC5295-5.0YD qui fournit une tension de sortie de 5 V pour une tension d'entrée de 12 V. Son courant de sortie peut aller jusqu'à 150 mA ce qui est suffisant dans notre cas car le courant maximum que peut consommer notre carte lorsque tous les modules sont actifs n'excédera pas 120 mA. Le courant consommé par ce régulateur est de 18 µA. La schématique reste pratiquement la même, la valeur des condensateurs a changé.

p=. !!

h3=. figure 14 : Régulateur de tension