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Système de mesure antérieur
Le système de mesure antérieur était constitué de capteurs de courant sans fil qui communiquaient avec une unité centrale de traitement (UCT).
Capteur HES antérieur
Les capteurs de courant antérieurs utilisaient un capteur à effet Hall (HES), le protocole de communication était l’IEEE 802.15.4 et l’alimentation venait d’une batterie AAA alcaline. Un des enjeux importants de ce système était la gestion de l’énergie des capteurs afin de prolonger la durée de la batterie. Une des dispositions prises était de sous-échantillonner à 3.08Hz alors que la fréquence fondamentale des signaux observés était de 60Hz et les résultats étaient transmis aux 6 secondes par groupe de 18 mesures.
Le circuit initial comprenait une section pour la communication sans fil et une autre pour le circuit de mesure .
Ce capteur ne permet pas d’atteindre les objectifs de ce projet de recherche. D’une part, le module radio (MRF24J40) permet théoriquement d’atteindre 250 kbps (Microchip, 2010) avec le protocole IEEE 802.15.4. Cette vitesse de transfert, qui ne tient pas compte de la surcharge implicite à la communication sans fil, est insuffisante et ne permet pas de supporter la communication de 50 capteurs qui échangent autant de données. D’autre part, son utilisation en continu épuiserait la batterie en moins de 45h puisque les batteries utilisées offrent au mieux environ 1200 mAh (Energizer, 2015) et que le capteur consommait environ 27.8mA durant les transmissions (Levasseur et al., 2012). De plus, la gestion indirecte du lien de communication par le module radio ne permettrait pas de synchroniser les mesures des capteurs et la détection du passage par zéro de la tension locale avec une précision suffisante.
UCT précédente
L’unité centrale de traitement (UCT) précédente était basée sur le modèle B de Raspberry Pi®. Un circuit imprimé conçu par l’équipe de recherche du professeur Ghyslain Gagnon était connecté sur le port d’expansion du Raspberry Pi® et permettait à ce dernier de communiquer sans fil avec les capteurs HES.
Le modèle B du Raspberry Pi® est un petit ordinateur qui mesure à peine 85 mm par 56 mm. Son processeur est un Broadcom BCM2835 cadencé à 700MHz, qui utilise une architecture ARM avec une mémoire vive de 512Mo. Il permet de faire fonctionner différentes distributions de Linux à partir d’une carte mémoire SDHC en plus d’offrir 2 ports USB, un port HDMI, un port réseau Fast Ethernet. Il est possible d’ajouter la connectivité WiFi en ajoutant une clé USB Wifi et un concentrateur USB externe (Levasseur, 2013).
Nouveau système de mesure
Le nouveau système est constitué de capteurs de courant reliés par un bus de communication filaire à une unité centrale de traitement (UCT). Les capteurs à effet Hall (HES) sont directement installés sur les fils d’alimentation de différentes charges alors qu’un capteur de courant de type transformateur de courant (CT) mesure le courant de l’entrée principale. Selon l’application, l’UCT enregistre les données localement ou diffuse les données sur un réseau Ethernet via un lien filaire ou Wifi.
La liste suivante résume les modifications et ajouts effectués à la version antérieure.
1. Utilisation permanente d’un capteur CT à l’entrée principale. La lecture de ce capteur est utilisée par l’algorithme de séparation des sources afin de réduire la diaphonie présente dans la lecture des capteurs.
2. L’alimentation du secteur est connectée à l’UCT. Ceci permet à l’UCT de détecter le passage par zéro de la tension du secteur. Cette information est diffusée aux capteurs et permet ensuite de déterminer le facteur de puissance des charges observées.
3. Un lien RS-485 remplace le lien sans fil précédemment utilisé. Les composants utilisés permettent de communiquer à une vitesse de 2Mbps. Les équipements utilisent la topologie bus pour se relier avec un câble de 4 conducteurs, qui comprend une paire de fils pour le lien RS-485 et une paire de fils pour l’alimentation 12Vdc.
4. Une alimentation 12Vdc externe est reliée à l’UCT qui le redistribue aux capteurs via le câble de 4 conducteurs utilisé pour le lien RS-485. Cette alimentation est aussi abaissée à 5Vdc sur la carte d’expansion qui alimente également le Raspberry Pi 2®.
Le nouveau capteur à effet Hall
Ce capteur se compose de 3 principaux éléments : le circuit analogique du capteur à effet Hall, un microcontrôleur et un lien de communication.
Le circuit intégré du capteur est le A1393SEHLT fabriqué par Allegro MicroSystems LLC. Ce circuit est disponible avec 4 sensibilités différentes. La sensibilité est inversement proportionnelle à l’étendue de la détection. Ainsi, augmenter la sensibilité réduira l’étendue et sa réduction aura l’effet inverse.
Le signal analogique est numérisé par le convertisseur analogique à numérique (CAN) du microcontrôleur puis compressé et mis en mémoire locale.
Contrairement à la version antérieure (Levasseur, 2013), le capteur HES de ce projet est filaire et utilise un microcontrôleur ARM de 32 bits, ce qui permet de passer d’une fréquence d’échantillonnage de 3.08Hz à celle de 2000Hz et de compresser les données à même le capteur. Un protocole de communication par interrogation permet à l’unité centrale de récupérer les données compressées via un lien RS-485.
Fréquence d’échantillonnage des capteurs
La fréquence minimale d’échantillonnage est déterminée par le théorème de Nyquist Shannon qui établit celle-ci à 120Hz, soit le double de la fréquence de 60Hz de la tension alternative fournie par le secteur. La fréquence maximale est, de son côté, établie par la limite du CAN interne du microcontrôleur STM32F030F4, qui peut atteindre 1MHz (STMicroelectronics, 2015).
La fréquence d’échantillonnage recommandée serait de 2KHz selon les principales méthodes de désagrégation qui utilisent actuellement seulement les 11 premières harmoniques (Jian Liang, Liang et Kendall, 2010; Zeifman et Roth, 2011). De plus, Tsai et Lin (2012) ont dû réduire leur fréquence d’échantillonnage initialement de 1MHz à 2KHz afin de réduire la charge de calcul et la quantité de mémoire requise (Tsai et Lin, 2012). Ils rapportent dans leurs travaux avoir observé des distorsions dans le signal reconstitué lorsque la fréquence d’échantillonnage était sous 2KHz.
Compression des données
La compression des données utilise la transformée en cosinus discrète de type 2 (DCT-II) sur des fenêtres rectangles de 256 points. Les fenêtres se recouvrent sur les premiers et derniers 16 échantillons afin de réduire les disparités des amplitudes aux extrémités des segments d’échantillons. La composante DC étant inhérente au circuit analogique du capteur, elle n’est pas pertinente pour les calculs effectués sur les mesures. Les capteurs excluent donc le premier coefficient qui représente la composante DC du signal, puis ils conservent uniquement les 32 plus grands coefficients.
Quantification des données de mesure
Les données de mesure des différents capteurs doivent circuler sur un lien de communication et être conservées dans une base de données. Sans la compression des données, il ne serait pas possible d’atteindre 50 capteurs avec chacun 2000 échantillons de 16 bits par seconde .
Nombre limite théorique de capteurs sur le lien
Le microcontrôleur utilisé supporte une vitesse de communication série de 2Mbps, ce qui établit la bande passante maximale du lien filaire. Dans son mode conventionnel, le lien série utilise 10 bits pour transmettre chaque octet de mémoire, car il utilise un bit de départ et un bit de fin. Chaque mesure du microcontrôleur requiert 2 octets et la fréquence d’échantillonnage visée est de 2kHz. Chaque capteur doit ainsi transmettre plus de 40 kbits par seconde en direction de l’UCT.
INTRODUCTION |
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