P13AB09 Relève à distance de compteur d'eau

Entreprise / Client :
RENESAS electronics
Martins Tolentino Email: tolentino.martins renesas.com
Responsable Projet :
Michel JAMES Email: michel.james polytech.univ-bpclermont.fr
Tuteur industriel :
Chazelle Gerard Email: gerard.chazelle michelin.com
Étudiant affecté :
Wasch Felix Email: wasch.felix gmail.com
Bartholin Emeric Email: emeric.bartholin gmail.com
Dieng Alpha Email : Alpha.Dieng etudiant.univ-bpclermont.fr


Sommaire

1. Résumé
2. Abstract
3. Introduction
4. Présentation du Sujet

1. Présentation générale
2. Synoptique
3. Problématiques
4. Microcontrôleur RL78G14

5. Cahier des charges

6. Développement

1. Faisabilité
2. Le capteur
3. Le programme microcontrôleur
4. La transmission sans fils
5. Bilan consommation électrique
6. Maquette de test

7. Gestion de Projet

1. W.B.S.
2. Gantt

8. Notes d'application

9. Bilan

1. Etat d'avancement
2. Analyse critique
3. Perspectives

10. Bibliographie


1. Résumé

Le projet consiste en la réalisation d'un système permettant la télé relève à distance de la consommation d'un compteur d'eau.Le client, Renesas Electronics, est un leader international dans le domaine du semi-conducteur et a développé une nouvelle gamme de micro-contrôleurs baptisée RL. Le projet s'inscrit dans la mise en valeur des performances du micro-contrôleur RL78 qui est un micro-contrôleur basse consommation, car le principale challenge de ce projet réside dans la consommation du système à concevoir pour que ce dernier puisse avoir une grande autonomie.

mots clés :

Micro-contrôleur Renesas Electronics RL78
Compteur d'eau ITRON
Communication sans fil
Modulation d'amplitude
Modulation de fréquence


2. Abstract

The project involves the construction of a system for the TV remote reading of a water meter consumption. Customers, Renesas Electronics is a global leader in semiconductor, and has developed a new range micro-controllers called RL. The project is in the development of performance micro-controller is a low-RL78 microcontroller consumption as the main challenge of this project lies in the consumption of system design so that the latter may have considerable autonomy .

Key Words :

Microcontroller Renesas Electronics RL78
water meter ITRON
Wireless Communication
Amplitude modulation
frequency mdoulation


3. Introduction

Afin de promouvoir leur gamme de microcontrôleurs ultra basse consommation, l’entreprise RENESAS propose un sujet, dans le cadre des projets de fin d’études de Polytech Clermont-Ferrand, option Génie électrique.
RENESAS est une entreprise japonaise basée à Tokyo, 5e fabricant mondial de semi-conducteurs et spécialisé dans les microcontrôleurs.
Le département Génie électrique de POLYTECH Clermont-Ferrand propose chaque année à ses étudiants de 4 et 5es années de réaliser un projet en groupe de 2-3 étudiants de façon quasiment autonome afin de les former aux problématiques de l'ingénieur et de développer un projet dans sa globalité. Ces projets se déroulent sur le 2e semestre de 4es années et le 1er semestre de la 5e année.

Sommaire


4. Présentation du Sujet


4.1 Présentation général

Le but de ce projet est de concevoir un système autonome permettant la relève à distance d’un compteur d'eau de la marque Itron.

Un compteur d’eau possède plusieurs reflets de la consommation d’eau le traversant. D’une part un affichage numérique dont la valeur correspond à consommation d’eau totale sur la vie du compteur. Celui-ci possède aussi une aiguille métallique tournant suivant le débit d’eau. Un tour de cette aiguille correspond à 1 litre de consommation.
Le système à concevoir doit donc réaliser plusieurs objectifs :

- Capter le débit d’eau grâce à l’aiguille métallique
- Restituer cette valeur via une liaison sans fil à un récepteur dans un rayon de 10 m
- Stocker de manière fiable et permanente cette valeur afin de la conserver même en cas de rupture d’alimentation du système.

Le défi technique principal de ce projet est de concevoir un système basse consommation qui puisse fonctionner au minimum 10 ans sur batterie.
À travers ce projet Renesas cherche à prouver la portabilité et la faible consommation de son microcontrôleur RL78G14.

Figure 2 :Photo du compteur muni du système développé


4.2 Synoptique

Figure 3 :Synoptique du projet

Nous avons spécifié notre système en le scindant en quatre blocs :

- Le compteur : Celui-ci est disponible dans le commerce et de marque Itron. Le système réalisé ne doit pas modifier physiquement celui-ci. L’eau traversant le compteur permet de mettre en rotation une aiguille métallique, 1 tour de cette aiguille 1 litre d’eau consommée.
- Le capteur : Partie critique du système il doit permettre la détection de la rotation de l’aiguille.
- Le microcontrôleur : Produits de la famille RL78 de Renesas, permet le traitement des données du capteur afin de déduire la consommation d'eau du capteur . Il permet aussi de stocker cette valeur et de la transmettre au module de communication.
- La communication : Basé sur une liaison sans-fil de types radio fréquence. Permets la restitution de la valeur de consommation à un récepteur située dans un rayon de 10m.


4.3 Problématiques

Le microcontrôleur RL78G14 fait partie de la gamme ultra low power de Renesas afin de démontrer son bon ratio performance/consommation notre application devra utiliser un maximum de ces périphériques afin de limiter le temps de réveil de celui-ci et donc de limité au mieux sa consommation.
L’application se découpera donc en plusieurs phases au niveau temporel :

Figure 4 :Déroulement temporel de l'application

Les autres problématiques du projet concernent la fiabilité de la méthode de mesure, car celle-ci doit correspondre à la valeur du compteur et aussi sur la fiabilité et sécurité de la liaison sans-fils.
Ces deux points doivent aussi respecter les contraintes de consommation totale du système.


4.4 Microcontrôleur RL78G14

Le microcontrôleur RL78 du fabricant Renesas fait parti de la gamme ultra basse consommation. C'est un microcontrôleur polyvalent spécialisé pour les applications avec de fortes contraintes de consommation électrique.
Le RL78 se décline en plusieurs versions (G12,G13,G14...) qui embarque des périphériques plus ou moins nombreux et évolués.

Pour notre application nous utilisons un RL78G14 présent sur une carte de démonstration fournie par Renesas.

Figure 5 :Photo de la carte de démonstration

Figure 6 :Schéma bloc et mode d'arrêt du RL78G14

Sur le schéma bloc du RL78G14, on remarque qu'il y a de nombreux périphériques disponibles. Certains de ces périphériques sont utilisés dans notre application notamment, la data flash pour stocker de manière permanente, même en cas de rupture d'alimentation, la consommation d'eau. Plusieurs Timer et DTC (Data transfert contrôleur) sont utilisés afin d'exploiter le capteur de la manière la plus économique possible du point de vue de la consommation électrique.

Le RL78 possède aussi 4 différents modes de marche, seul 3 nous intéresse.

- Le mode "opérating" le microcontrôleur est en marche normale c'est le mode consommant le plus environ 1.2mA
- Le mode "Halt" le cœur du microcontrôleur est arrêter, mais tous les périphériques reste en marche ce mode intermédiaire permet de réduire la consommation électrique à environ 0.5mA cette valeur dépend du nombre de périphériques utilisés par l'application
- Le mode "Stop" c'est le mode de marche ultime du point de vue de la consommation électrique tout le microcontrôleur est arrêter sauf certain timer et broche d’interruption permettant de réveiller le microcontrôleur. Ce mode permet d'abaisser la consommation électrique du microcontrôleur à environ 0.0005mA.

Sommaire


5. Cahier des Charges

En accord avec le client M.Tolentino nous somme avons défini le cahier de charges suivant.
Le point critique de ce cahier de charges est la consommation électrique moyenne du système qui doit être au maximum de 4µA sous 3V afin d’avoir une autonomie maximum sur batterie.
Les autres fonctions consistent en le développement d’un système de mesure sans contact et qui ne doit pas modifier la structure du compteur et la mise en place d’une communication sans fil pour la relève à distance de la consommation d’eau du compteur.
Plusieurs contraintes ont été défini notamment l’utilisation du microcontrôleur RL78G14 de Renesas ainsi que l’utilisation d’un compteur Itron.
Le projet doit être aussi développé grâce à l’IDE IAR et dans le respect des règles de codages Renesas.

Figure 7 :Cahier des charges

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6. Développement

6.1 Faisabilité

L'étude de faisabilité a porté principalement sur la recherche des technologies possibles pour réaliser un capteur compatible avec le compteur. La photo ci-dessous montre la pièce métallique tournant à raison 1L/tours. C'est cette rotation qu'il faut détecter.

Figure 8 :Photo de l'aiguille du compteur

Plusieurs méthodes ont été étudiées:

- Utilisation d'un capteur optique => rejeter immédiatement, car consomment plusieurs mA donc incompatible avec le cahier des charges

- Utilisation d'un capteur inductif réaliser grâce à un réseau LC oscillant dont l'inductance est influencée par la plaque métallique. C’est cette solution qui a été retenue.

Deux types d'inductance ont été testés:

- Le premier type est une inductance gravée sur PCB (voir photos ci-dessous). Celui-ci a été rejeté, car l'inductance est trop faible et donc rend la mesure non exploitable.

Figure 9 :Inductance sur PCB

- Le deuxième types est une inductance verticale avec un noyau de ferrites. Celle-ci grâce à une inductance plus forte permettra de rendre la mesure exploitable.

Figure 10 :Inductance verticale utilisée

Tableau récapitulatif:

Figure 11 :Tableau récapitulatif

6.2 Le capteur

Devant la problématique de basse consommation, il nous a fallut partir sur un capteur répondant à cette attente. Nous avons donc opté pour un capteur inductif venant détecter la presence de l'aiguille métallique sur le compteur. Ainsi, si nous arrivions a detecter le nombre de tours de l'aiguille nous arriverions à obtenir la consommation d'eau au litre près.
La détection est effectuée grace à trois bobines qui, placées 120° chacune, nous permet de savoir exactement ou se situe l'aiguille.

Figure 12 :Aiguilles et Bobines(en rouge)

Son principe de fonctionnement est le suivant:
Lorsque l'on créé une excitation dans la bobine, celle ci se met a entrer en résonance avec le condensateur placé en parallèle.

Figure 13 :Relevé de la sortie capteur sans amortissement

Elle émet alors un champ magnétique due au oscillations électrique la traversant.

Figure 14 :Disperssion du champ magnétique autour de la bobine

Si l'aiguille s'avère se trouver en dessous de la bobine, une partie de se ce champ magnétique est absorbé par le conducteur (création de courants de foucault). Et l'amortissement devient plus important.

Figure 15 :Champ perturbé par la présence de l'aiguille et Figure 16 :relevé de la sortie capteur avec amortissement

On vient alors mesurer cette variation, en venant mesurer le temps de remonté du capteur. voir schéma:

Figure 17 :Schéma électrique du capteur

Principe d'étalonnage.

Lors de la toute premiere mise en route de notre système il est essentiel d'étalonner le capteur. Comme tous les composants n'ont pas exactement la meme valeur nous devons définir un seuil de détection par bobine.
A la premiere mise en route nous faisons tourner le compteur, nous venons relever les différents temps de monté du capteur. Nous sélectionnons ceux qui sont bon (voir fonctionnement de la relève). sur les 150 valeurs qui sont collectées nous venons detecter les plus basses et les plus hautes. Les deux valeurs minimales relevées moyénées nous donnera la valeur minimale de notre tranche de capteur, de meme pour la maximale.La difference des deux nous donne l'écart type de nos mesures. pour effectuer la detection de présence ou non de l'aiguille, nous prendrons la valeurs minimale à qui nous rajouterons 30% de l'écart type. Cela nous donnera le seuil d'une tranche.
Exemple: sur la bobine 1 nous mesurons une valeur min de 150 (valeur tu compteur timer du temps de remonté du capteur) et une max de 162.
Ecart type = 12
nous placerons notre seuil de detection à 150+(30%*12)=154
En dessous d'un temps de remonté de 154 nous considérerons que l'aiguille est présente sous la bobine, au dessus qu'elle est absente.
Nous effectuons le meme procédé pour les 2 autres bobines.

Fiabilité du système

Lors de nombreux essais nous avons pu determiner que nous ne ratons jamais la présence de l'aiguille. Nous partons sur une erreur de 1 litre sur la durée de vie du compteur. Apres nous n'avons pas pu venir mesurer la fiabilité des composant sur leurs durée de vie. Nous pensons pour cela à ajouter une fonction d'étalonnage "en temps réel" dans les améliorations. Celui ci devrai pouvoir (en fonction de la tension d'alimentation, du nombre de cycle effectué... etc) effectuer un étalonnage des tranches du capteur à plusieurs reprises.

6.3 Le programme microcontrôleur

6.3.1 Découpage fonctionnel et déroulement temporel du programme

Figure 18 :Découpage fonctionnel du programme

Le programme du système est découpé en plusieurs modules:

- Le premier module permet le réveil 2 fois par seconde du système
- Le deuxième module gère l'excitation et la sélection des capteurs en utilisant uniquement des périphériques du microcontrôleur (PWM associé à un DTC)
- Le module de mesure utilise un timer en mode input capture pour réalisé la mesure de la sortie capteur et stocke en mémoire RAM toutes ces données.

Au bout d'une cinquantaine de phases de mesure, plusieurs fonctions sont exécutées:

- La première fonction détermine la consommation d'eau qu'il y a eu sur les mesures stockée en mémoire
- La deuxième fonction permet le stockage en mémoire flash de la nouvelle valeur de consommation d'eau
- Le dernier module permet la mise en forme et l'envoie de la consommation d'eau grâce à une liaison sans fils

Figure 19 :Déroulement temporel du programme

Le programme ce déroule en deux phases la première permet les mesures et le remplissage de la table mémorisant celle-ci, la deuxième phase permet le traitement des mesures, le stockage et l'envoie de la consommation d'eau.

6.3.2 Exploitation du capteur

Figure 20 :Oscillogramme d'un cycle de mesure

Sur l’oscillogramme ci-dessus on peut remarquer les 3 mesures pour les trois bobines entrecoupées de parasites provenant de la phase de sélection des capteurs. Ces parasites seront filtrés numériquement lors de la phase d'exploitation des mesures.
La mesure du temps de remonté du signal est réalisé grâce un timer utilisé en mode "input capture" qui mesure le temps à l'état bas du signal, le seuil de déclenchement est situé à VDD/2

Le temps d'un cycle de mesure est de 535us réalisé 2 fois par seconde. La phase de mesure occupe donc le microcontrôleur environ 0.1% du temps.

6.3.3 Exploitation des mesures

Figure 21 :Animation exploitation des mesures

Grâce à la technique d'exploitation décrite par l'animation ci-dessus il n'y a aucune perte d'information si l'aiguille du compteur ne tourne pas trop vite par rapport à la fréquence d’échantillonnage.

6.3.4 Consommation d'un cycle de mesure

Figure 22 : Consommation d'un cycle de mesure

On voit sur le graphique ci-dessus que c'est l'excitation des capteurs qui consomme le plus lors d'un cycle de mesure.

6.3.5 Taux de charge

Figure 23 : Taux de charge du microcontrôleur

Un cycle de fonctionnement du système dure 50 secondes ( temps entre 2 envois de la consommation). On déduit sur un cycle de fonctionnement le taux de charge du microcontrôleur.

Celui-ci est de 0.33% ce qui est très faible. On peut déduire de cette information que la consommation du système en mode "Stop" est très importante.

6.4 La transmission sans fils

Les phases de mesure et de traitement de la consommation réalisés, il nous restait plus qu'à restituer cette dernière en effectuant la télé relève à distance.
Soumis à des contraintes de consommation, nous sommes partis sur un système de transmission composé d’un module QAM-TX3 pour l’émetteur et QAM-RX3 pour le récepteur.

6.4.1 Présentation des modules

Figure 24 :transmetteur RF QAM-TX3

Le module émetteur QAM-TX3 est un émetteur radio fréquence qui peut être utilisé pour transmettre des données jusqu'à un débit de 3KHz sur les bandes 315 ou 433 MHz. Ce module est très simple à utiliser et offre une plage de tension de fonctionnement large, la puissance de sortie RF augmente en fonction du niveau appliqué au module de tension. Les données peuvent être alimentées directement à partir d'un microprocesseur, gardant ainsi le nombre de composants vers le bas et en assurant un faible coût matériel.

Figure 25 :récepteur RF QAM-RX3

Le module QAM-RX3 est un récepteur RF pouvant être utilisé pour recevoir des données non décodées à partir de la gamme d'émetteurs QAM-TX sur les bandes 315 ou 433 MHz aussi.Le module est simple d'utilisation et offre une faible consommation d'énergie permettant une durée de vie prolongée sur batterie sans avoir à éteindre le module. Les données peuvent être introduites directement dans un dispositif de microprocesseur ou de décodage.

6.4.2 La modulation d'amplitude en quadrature

Avant de parler de la modulation QAM, nous allons d'abord expliquer les différents types de modulation et ses principes. La modulation consiste à mélanger un signal utile à un autre signal haute fréquence qui va transporter ce dernier. De ce fait, nous pouvons distinguer deux principaux types de modulation que sont la modulation d'amplitude et la modulation de fréquence.

Figure 26 :Principe de la modulation d'amplitude

Le principe de cette dernière consiste à utiliser un signal utile pour moduler la fréquence de la porteuse haute fréquence nous donnât ainsi le signal en figure 21.Nous constatons qu’à chaque pointe du signal de modulation correspond un resserrement des alternances signifiant une élévation de fréquence. De même à un creux du signal de modulation correspond un abaissement de fréquence. Le signal modulé varie donc de part et d’autre de la fréquence de la porteuse non modulée.

Pour ce qui est la modulation d'amplitude, elle se réalise en utilisant le signal utile pour moduler l’amplitude de la porteuse. Nous obtenons alors le signal figure 20. Nous pouvons remarquer que l’amplitude de la porteuse varie au rythme du signal de modulation et que ce dernier se retrouve dans l’enveloppe du signal modulé en amplitude.

Par contre ces deux modulations ont chacune leurs avantages et leurs inconvénients.

Figure 27 :comparaison AM / FM

La modulation d'amplitude en quadrature est une variante de la modulation d'amplitude, car au lieu de transmettre via une porteuse nous en utilisons deux déphasées de 90°. Et en plus de l'amplitude, nous modulons aussi la phase du signal modulée. Cette modulation particulière nous permet de doubler le débit de communication, mais en revanche fragilise le signal.

Figure 28 : modulation QAM

6.4.3 Synoptique du système de communication

Figure 29 :synoptique du système

Nos modules de communication sans fil sont reliés chacun à un microntrôleur. Pour envoyer les données de consommation à notre récepteur, le microcontrôleur envoie les données de consommation issue du capteur via une liaison série sur l'entrée du transmetteur RF. Nos données de consommation sont codées via un protocole que nous avions mis en place pour fiabiliser la transmission, car notre récepteur nous restitue souvent du bruit. Nos données sont codées dans une trame de 8 octets. comme décrit à la figure 25.

Figure 30 : composition de la trame de données

Une fois la trame restituée à notre microcontrôleur; elle passe par une phase de décodage qui va nous permettre de vérifier si cette dernière est juste. Le décodage de la trame repose sur des tests sur les identifiants de début et de fin, si les identifiants sont justes, on calcule la consommation en utilisant nos 4 octets de données et pour être sures de la validité de la consommation on fait fait un test de la valeur via l'octet CRC. Une fois la phase de décodage passée avec succès, le microcontrôleur envoie enfin la consommation sur notre terminal de visualisation.

6.4.4 Résultat

Figure 31: résultat de simulation

Nous pouvons observer ci-dessus deux signaux capturés à l'oscilloscope. Le signal en noir est la trame que nous observons à notre entrée transmetteur, tandis que le signal en bleue représente ce que nous restitue notre récepteur RF. Nous remarquons que ces 2 trames sont similaires et que c'et bien la même trame, mais notre récepteur nous restitue aussi du bruit comme dans l'encerclé rouge, d'ou la nécessité de la phase de protocole pour ne pas récupérer des données erronées.


6.5 Bilan consommation électrique

Le cahier des charges nous imposait une consommation moyenne de 4uA sous 3.5V.
Nous arrivons à une consommation de 11uA avec emission et de 1.3uA sans emission.

Figure 32 :Répartition de la consommation avec emission

Nous pouvons constater que l'emission HF des données est décisive dans la consommation de notre système. Si nous arrivons à apporter des ameliorations à ce niveau au termes d'une emission consommant au maximum 2.7uA sous notre alimentation, nous rentrerions dans le cahier des charges.

Lorsque nous nous penchons sur la consommation sans emission HF:
Nous constatons qu'une grande partie de cette consommation provient du mode STOP du micro contrôleur.
Les caractéristiques constructeur de ce dernier sont donc primordiales.

Figure 33 :Répartition de la consommation sans emission

Voici un tableau récapitulatif des consommations de notre système:

Figure 34 :Tableau récapitulatif des moyennes de consommation


6.6 Maquette de test

Apres avoir réalisé notre système il a fallut le tester.
Pour cela nous avions a disposition un ancien TP d'automatisme sur lequel était monté une pompe qui pouvait tourner en circuit fermé.
Nous avons adapté Ce TP a nos besoins et avons fixé le compteur en sortie de la pompe sur lequel nous avons, grace a notre boitier, fixé notre système électrique.

Figure 35 :Photo du montage complet

Figure 36:Photo du boitier adaptable

Figure 37 :Photo de notre système monté

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7. Gestion de Projet

La gestion de projets est réaliser conjointement avec le tuteur industriel Mr Chazelle ainsi que par les étudiants affecter au projet


7.1 W.B.S.

Figure 38 :Organigramme du projet


7.2 Gantt

Figure 39 :Diagramme de gantt

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8. Notes d'application

- Sujet 1: Wasch Felix : Étude et simulation des capteurs inductifs
- Sujet 2: Bartholin Emeric : Étude et mise en œuvre des modes basse consommation du micro contrôleur RL78G14
- Sujet 3: Alpha DIENG : Critères de choix et mise en œuvre d'une liaison sans fil

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9. Bilan


9.1 Etat d'avancement

Figure 40 :Respect du cahier des charges

Sur tous les objectifs du projet, tous ne sont pas complètement atteints:

- La mesure de la consommation sans erreur est validée
- L'objectif de consommation n'est pas complètement atteint à cause de la communication sans fil, sans celle-ci la consommation moyenne est de 1.3uA ce qui est inférieur au cahier des charges. Mais avec la communication sans fils celle-ci est de 11uA ce qui est supérieur au cahier des charges.

Deux problèmes restent non résolus à ce jour:

- Le stockage en mémoire flash de la consommation n'est pas réalisé
- La communication sans-fils n'est pas complètement opérationnelle et reste à fiabilisé


9.2 Analyse Critique

Les objectifs non atteints du projet ont été la mise en commun de nos différents sous systèmes que nous n'avons pu valider, mais aussi l'écriture dans la mémoire rom.
A part cela, tous les sous modules fonctionnent indépendamment. Nous avions aussi perdu beaucoup de temps pour faire fonctionner le microcontrôleur en
mode basse consommation.

Aussi il faudra ressouder le transmetteur RF, qui est la cause principale du non aboutissement de la mise en commun du système globale.


9.3 Perspectives

Il y a plusieurs améliorations possibles pour ce système:

- Implémenter une gestion dynamique des seuils afin de tenir compte de la chute de tension de la batterie et des variations de température susceptible de faire varier les seuils de détection.
- Modification de la méthode de transmission afin d'améliorer la consommation et la fiabilité de celle-ci
- Implanter divers algorithmes pouvant être utile au consommateur: détection de fuite, bilan consommation...

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10. Bibliographie

http://am.renesas.com/products/mpumcu/rl78/index.jsp?campaign=tb_prod

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