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, leymarie@cict.fr,
vangelis46@msn.com, franck.lacourrege@cict.fr, ** Service Commun d’électronique, maffre@pca.ups-tlse.fr
*** 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, bestibal@laas.fr
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 »