Soumis au CETSIS'2008 Un projet pédagogique innovant: « la serrure intelligente » ( système d’accès sans clef ) Hélène LEYMARIE*, Florian LARRAMENDY*, Franck LACOURREGE*, Guillaume MAFFRE**, Bruno ESTIBALS*** Université Paul Sabatier, 118 route de Narbonne 31062 Toulouse, *préparation aux agrégations, [email protected], [email protected], [email protected], ** Service Commun d’électronique, [email protected] *** Laboratoire d’Architecture et d’Analyses des Systèmes, Intégration des Systèmes de Gestion de l’Energie,7 avenue du Colonel Roche - 31077 Toulouse Cedex 4, [email protected] RESUME: Nous proposons de réaliser un système d’accès sans clef tel celui utilisé initialement par Renault sur les automobiles Laguna en 2001 : le conducteur muni d’une carte clef, type carte de crédit, s’approche de la poignée du véhicule et déclenche l’ouverture de la portière s’il en est le propriétaire. Des données de type « confort du conducteur » sont également transmises. Ce projet, destiné à des étudiants de licence 3ième année mais également de master 1 dans sa version étendue, permet d’aborder les thèmes suivants : capteur capacitif de présence, transmissions numériques de données à 433.92 Mhz, codage / encodage de données et gestion des alimentations . Les étudiants ont apprécié le caractère réel de l’étude basée sur un dispositif industriel innovant, l’aspect ludique du projet et la diversité des fonctions mise en œuvre. L’approche pédagogique sous forme de projet par binôme ou quadrinôme a augmenté leur investissement individuel, leur capacité d’autonomie et a démontré la nécessité de communication et de transfert d’information entre eux. Mots clés : Capteur, transmission numérique, cryptage de données, VHDL Figure 1: schéma de principe de la serrure intelligente 1. INTRODUCTION. Cette maquette reproduit le principe d’ « accès sans clef » utilisé dans l’industrie automobile (Renault, Mercedes, Alpharoméo…). Elle est composée de deux parties l’une située dans la voiture et l’autre sur l’utilisateur comme représentée sur la figure 1 et 1bis. Ces deux systèmes communiquent par ondes lors de deux transmissions successives dans le temps. VOITURE Détection de présence Emission Réception transmission 1 Réception Déverrouillage et affichage des données confort Décodage transmission 2 Emission UTILISATEUR Codage Figure 1bis: schéma fonctionnel de la serrure Le conducteur s’approche de la poignée de sa voiture. Le capteur détecte la présence d’une personne et envoie une requête pour savoir si cette personne possède une « carte clef » qui permettrait d’ouvrir la voiture (transmission 1 : voiture/utilisateur). Une fois cette requête reçue, l’encodeur, qui se trouve sur la carte clef, envoie son code d’identification et des données « confort » à la voiture (transmission 2 : utilisateur /voiture). Le message est reçu par le décodeur qui vérifie la correspondance avec sa propre identification. Si les deux codes sont identiques alors la porte de la voiture se déverrouille. Les données « confort » sont alors accessibles tels les positions des rétroviseurs, du siège le réglage du système audio ou celui de la climatisation… Cette maquette permet d’étudier à partir d’un dispositif industriel innovant : - le capteur capacitif de présence (différentes mise en œuvre, caractéristiques, influence de l’environnement) - la transmission de données numériques en modulation d’amplitude (bande passante, portée) - le codage et l’encodage des données pour crypter le code d’identification du véhicule Soumis au CETSIS'2008 - la gestion des alimentations des émetteurs/récepteurs afin d’économiser l’énergie et d’assurer séquentiellement les transmissions 1 puis 2. 2.1.2 exploitation expérimentale La figure 3 représente le signal de sortie du capteur QT 110 en mode « pulse » de 75 ms et en mode « toggle » qui inverse la sortie à chaque touché. 2 DESCRIPTION DE LA MAQUETTE Les schémas électriques des deux parties de la maquette sont donnés en annexe 1a et 1b respectivement pour la partie embarquée dans la voiture et pour la « carte clef ». 2.1. le capteur capacitif de présence 2.1.1 principe Ce capteur permet de détecter une personne s’approchant de la poignée de la voiture. Le capteur choisi (QT 110 disponible chez Lextronic) est de type capacitif (choix de l’industriel Siemens) car il consomme peu de courant, est facilement intégrable, permet une détection tout le long de la poignée et est peu cher. Le principe du capteur est de détecter la variation de la capacité engendrée entre la main et l’électrode du capteur comme représentée sur la figure 2. Figure 2: principe du capteur de présence QT110 Une approche à quelques centimètres ou un « touché », selon la sensibilité du capteur, déclenche un signal à l’état à l’état bas de 75 ms dans le mode de fonctionnement choisi. Seuls 3 composants externes sont nécessaires (cf annexe 1a) : Rs = 470kΩ, Cs = 10 nF et Re potentiomètre variable de 4.7MΩ qui règle la sensibilité du capteur . Est présente également une diode électroluminescente qui s’allume en cas de détection. De plus, ce capteur est capable de s'autocalibrer suivant des variations environnementales tels la température (40° ;+85° normes automobiles), la pluie, les projections sur la poignée… Figure 3: Tensions de sortie du capteur QT110 en mode pulse et toggle pour deux touchés consécutifs. La photographie 1 illustre les 4 électrodes choisies de forme et de taille différentes. L’électrode lame d a les dimensions du modèle industriel intégré dans la poignée. Photographie 1: photographie des quatre électrodes testées sur le capteur QT110 Une étude de sensibilité entre ces électrodes est présentée sur le tableau 1. Comme l’angle et la vitesse d’approche de la main modifie la distance de détection, le geste le plus reproductible est le touché. Dans le tableau est relevée la résistance maximale Remax pour laquelle le touché a été détecté. Les surfaces des électrodes sont également notifiées. électrode Tube a Spires b Plaque c Lame d Surface 273 31 18 (cm2) Remax 236 140 82 28 (KΩ ) Tableau 1 : Résistance maximale de détection Remax en fonction des quatre électrodes a , b, c et d. Une résistance Remax élevée signifie que le touché sera plus facilement détecté. Donc, il apparait d’après le Soumis au CETSIS'2008 tableau 1 pour les cas a, c et d, que plus la surface de l’électrode est importante, mieux le touché est détecté conformément à la documentation constructeur. La conclusion est plus difficile pour la spire b dont il est difficile de calculer la surface efficace de détection et dont le matériau est en cuivre différent de l’aluminium pour les autres électrodes. Par ailleurs, le capteur réajuste effectivement son seuil de détection lorsqu’une feuille de papier est fixée sur l’électrode pour ne plus tenir compte de la feuille au bout de 10 s. Ce comportement du capteur est utile en raison de l’éventuelle glace accumulée sur la poignée de la voiture. En outre, le capteur ne détecte pas la pluie. 2.2 L’émetteur/récepteur 2.2.1 principe La « carte clef » située sur le propriétaire et la voiture ne sont pas reliés physiquement. Elles communiquent par ondes grâce à un émetteur et un récepteur. Ces derniers permettent la transmission : - de la pulse capteur dans le sens voiture/carte (transmission 1) - du code de la voiture et des données confort dans le sens carte/voiture (transmission 2). Deux couples émetteur /récepteur (transceiver : rtl-datasaw disponible chez Lextronic) sont utilisés , l’un sur la carte, l’autre sur le véhicule comme représenté sur les annexes 1a et 1b. Toutes les données sont transmises en modulation d’amplitude de type « tout ou rien » à une fréquence de 443.92 Mhz. Le débit binaire doit rester inférieur à 3 kHz conformément à la documentation technique. 2.2.2 Caractéristiques expérimentales de la transmission à 433.92 Mhz Dans la transmission 1 ou 2, les données peuvent être transmises intégralement avec un débit de 8 kHz. La portée du dispositif est supérieur à 2 m ce qui est largement supérieur à la distance carte/ voiture lorsque le propriétaire s’approche de la poignée. L’angle d’approche, le sens de la carte clef et la mise en marche d’un téléphone portable ne modifient pas la transmission. Gestion des alimentations des couples émetteur/récepteur La gestion des alimentations des émetteurs/récepteurs permet d’assurer séquentiellement les transmissions 1 puis 2. Les alimentations de l’émetteur et du récepteur sont indépendantes et doivent être complémentaires de façon à soit émettre, soit recevoir les données. Durant la transmission voiture/carte, l’émetteur de la voiture est alimenté pendant 75 ms par le signal inversé de la sortie du capteur (cf annexe 1a). Durant la transmission carte /voiture, l’émetteur de la carte est alimenté pendant 10 secondes ce qui permet d’envoyer 200 fois le code d’identification et les données confort Le signal de 10 s provient d’un monostable (4538) suivi d’un amplificateur de courant ( 74LS244) (cf annexe 1b). Le monostable est déclenché par le front montant de la pulse reçue par le récepteur de la carte clef. La figure 4 est un relevé expérimental des quatre alimentations des deux couples d’émetteur/récepteur. Figure 4 : relevés expérimentaux des alimentations des émetteurs et des récepteurs sur la partie voiture et sur la partie carte 2.3 L’encodeur/décodeur Par souci de confidentialité, le code du propriétaire et les données confort sont codées avant d’être transmises à la voiture. Un décryptage est donc nécessaire à la réception des données. L’encodeur et le décodeur utilisés sont respectivement le MC145026 et le MC145027 chez Motorola. 2.3.1 L’ encodeur Le MC145026 encode deux informations en série : le code d’identification de la carte (mot binaire de 5 bits) et les données confort (mot binaire de 4 bits). Les données transmises sont ainsi constituées de mots de 9 bits. Chaque bit est fixé par des interrupteurs (cf annexe 1b) soit à l’état haut, soit à l’état bas, soit à l’état ouvert. Une représentation du codage de l’information, extraite de la documentation technique, est donnée sur la figure 5. 2.2.3 Figure 5 : Principe du codage du MC145026 Ces informations sont séquencées par une horloge ajustable par trois composants externes RTC1, CTC et RTC2. La fréquence de l’horloge, fixée à 1.7 kHz, est choisie dans la bande passante de l’émetteur/ récepteur. Les valeurs calculées des composants sont : RTC1 =50 KΩ ; CTC=5.1 nF ; RTC2=100 KΩ. Les données sont Soumis au CETSIS'2008 envoyées en série et pendant 10s lorsque l’entrée TE est fixée à l’état bas par le signal issu du monostable 4538. 2.3.2 Le décodeur Le MC145027 reçoit le code de la carte et les données confort. Le code de la carte est comparé avec celui du véhicule. Si les deux codes sont identiques alors le décodeur restitue les données confort en parallèle, affichées sur un afficheur 7 segments (cf annexe 1a). De plus, si deux mots de 9 bits consécutifs envoyés sont égaux, ce qui garantit une bonne réception, le décodeur valide la transmission grâce à la sortie VT de validation qui bascule à l’état haut. Cette sortie est utilisée pour le déverrouillage de la portière symbolisée par l’allumage d’une diode électroluminescente. Quatre composants externes R1, C1, R2 et C2 sont nécessaires à la synchronisation des horloges de l’encodeur et du décodeur et à la comparaison des deux mots. D’après la documentation constructeur pour une fréquence de 1,7 Khz : R1=50 KΩ, C1=22nF, R2=200KΩ, C2=100nF. La figure 6 représente la tension de sortie de l’encodeur pour un mot câblé «1ouvert0110110 ». Le signal est conforme au codage de la documentation technique. Figure 6 : Relevé expérimental de la sortie de l’encodeur pour un mot câblé «1ouvert0110110 » Dans le cas d’une réception correcte, la figure 7 représente la validation ou non du signal VT à l’état haut pour deux codes carte/voiture identiques ou différents. 2.4 Le système complet d’accès sans clef Le système d’accès sans clef est validé. Le délai d’ouverture de la porte après détection à une distance de 1 m est de 110 ms. Les deux parties sont alimentées en 9V suivi d’un régulateur 7805. La consommation de la partie véhicule et de la partie carte clef sont respectivement de 122 mA et de 33 mA en communication. La consommation de la partie carte, système embarqué, est excessive car elle correspond à une durée de vie de moins de 7 heures pour une pile de 200mAheures. Par suite, en ôtant l’amplificateur de courant et en alimentant en permanence l’émetteur de la carte clef, la consommation est réduite à 2.2 mA. Aucune des performances précédentes n’est altérée. L’autonomie de la pile est désormais de 3 jours et demi. Dans le système industriel, le capteur est mis en veille au bout de trois jours. 3 Retour des étudiants Ce projet a été réalisé par des étudiants : - de licence professionnelle de commande et conception de systèmes embarqués (groupe A) durant une séance de Travaux Pratiques de trois heures. - de licence ingénierie électrique L3 (groupe B) durant un bureau d’étude de 68 heures (17*4 heures). Pour le groupe A, l’étude était simplifiée à la mise en oeuvre du capteur, du codeur/décodeur et à la réalisation de la transmission 2. L’analyse du système a été faite en travaux dirigés. Les étudiants travaillent en quadrinômes à l’aide d’un dossier technique synthétisant le fonctionnement du dispositif. Un binôme réalise les fonctions capteur et transmission, l’autre binôme la fonction codage/décodage. Pour le groupe B, dans une première partie (40H), il s’agit de concevoir et réaliser le système complet, à partir d’un cahier des charges. Puis dans une deuxième partie (28H), la partie codage /et encodage et la gestion des alimentations est remplacée par un composant FPGA programmé en VHDL. Les étudiants ont travaillé en binôme. L’organisation et l’objectif des séances sont répertoriés dans le tableau 1: Numéro de séance 1 2-6 6-7 7-10 Figure 7 : Relevés expérimentaux de la sortie du décodeur et de VT selon que le code de la carte clef est égal ou différent de celui de la voiture. Le code voiture est «1ouvert011 » 11-15 16-17 activité Recherche bibliographique Analyse du système pédagogique Conception du système pédagogique Réalisation et tests expérimentaux Programmation et simulation VHDL tests objectif Connaissances du système réel Etablissement du schéma fonctionnel Etablissement des schémas électriques Mise en œuvre et caratérisation du dispositif câblé Programmer et tester par fonction Caratérisation du dispositif ( FPGA) Tableau 1: organisation et objectif des séances Soumis au CETSIS'2008 Tous les étudiants ont apprécié : - le caractère réel de l’étude basée sur un dispositif industriel innovant, - l’aspect ludique du projet (détection du « toucher », codage et identification, test de la portée des émetteurs/récepteurs) - la diversité des fonctions et le fait de pouvoir les tester deux à deux : codage/encodage, émission/réception. Néanmoins, les étudiants du groupe A, trouvent le temps imparti trop court, même en partageant le travail, ce qui a induit un rythme de travail très soutenu. Une carte clef précablée serait une solution (en cours de réalisation). La nécessité de communiquer entre chaque binôme a été clairement démontrée. Les étudiants du groupe B ont apprécié la dualité du projet réalisation câblée/programmation, ce qui permet en outre d’élever le nombre de combinaisons possibles de codage de voitures. La gestion du temps dans le projet a été déséquilibrée et la programmation de la partie décodeur en VHDL n’a pas été terminée. 4 Conclusion Ce projet basé sur un dispositif industriel innovant permet de réaliser une serrure intelligente dit système d’accès sans clef tel celui utilisé initialement par Renault sur les automobiles Laguna (2001). La mise en œuvre du capteur de présence capacitif, de deux couples d’émetteur/récepteur et du dispositif d’encodeur/décodeur de données reste assez simple. Les notions diverses telles la sensibilité du capteur, la bande passante et la portée du système de transmission numérique, le cryptage des données et la gestion des alimentations sont étudiés. Les performances du système global sont également mesurées : séquencement des transmissions, délai d’ouverture de la portière, portée et consommations du dispositif. Ce projet testé sur deux populations d’étudiants de licence 3ième année dans sa version courte en Travaux Pratiques (électronique numérique cablée) et dans sa version longue en bureau d’étude (électronique numérique cablée et programmée) a été un franc succès par son caractère appliqué et ludique. Le temps imparti pour la réalisation du projet dans sa globalité semble cependant trop court pour certains étudiants. 5 Bibliographie Documentations techniques : www.lextronic.fr, www.motorola.com P.Lecoy , « Technologie des télecoms », Hermès. M. Joindot , A. Glavieux, , «Introduction aux communications numériques » collection sciences sup, Dunod. 6 Annexes Annexe 1a – Schéma électrique de la partie voiture Annexe 1b – Schéma électrique de la partie « carte clef »
