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Proposé par : LE LAY Chantal RAOULT Corentin Option : Systèmes embarqués PERROT

Proposé par : LE LAY Chantal RAOULT Corentin Option : Systèmes embarqués PERROT Gurvan Option : Systèmes embarqués Institut Supérieur de l’Électronique et du Numérique Tél. : +33 (0)2.98.03.84.00 Fax : +33 (0)2.98.03.84.10 20, rue Cuirassé Bretagne CS 42807 - 29228 BREST Cedex 2 - FRANCE Projet M1 Année scolaire 2013/2014 Réalisation d'un système de télésurveillance et d'alerte 1 Résumé Les systèmes de télésurveillance sont de plus en plus répandus dans le monde actuel. Ce projet fait partie du domaine de la domotique. Il a pour objet : la sécurité à l’intérieur d’un habitat ou même d’un lieu public. Ces dernières années, il a été intéressant de voir qu’avec l’avancée des nouvelles technologies, il est désormais de plus en plus facile de tout contrôler à distance. L’intitulé de ce projet est donc en parfaite adéquation avec le développement des technologies du moment. Comment une intrusion peut-elle être détectée à l’intérieur d’un habitat ? Pour répondre à cette problématique, il a été imposé d’utiliser le FPGA de la carte DE1. La plupart des capteurs qui sont utilisés, notamment pour des applications de télésurveillance, communiquent grâce à un protocole I2C. Pour ce faire, une IP a dû être créé car l’environnement sous lequel le travail a été réalisé (Quartus) ne contient pas l'IP de ce protocole de communication. Cette IP comprend le composant I2C et son interface de communication avec le processeur (Nios II) qui sera utilisée pour l'application. De plus, pour être prévenu en cas d’intrusion et pouvoir agir rapidement, un module GSM a été relié à cette carte DE1 via une connexion UART. Dans un premier temps l'architecture hardware du système a été créée puis le programme software a été développé. Deux capteurs (ultrason et thermique) ont été connectés à la carte DE1 afin de comparer leurs caractéristiques et leurs performances. En ce qui concerne leur fonctionnement, lorsque le capteur ultrason détecte un changement important par rapport à la distance moyenne qu’il mesure, un SMS est envoyé par l’intermédiaire du module GSM. Le second capteur (thermique) quant à lui, envoie un message d’intrusion si une variation brutale de température intervient. Durant ce projet, un autre capteur infrarouge a également pu être étudié. Son système de communication diffère des deux capteurs ci-dessus. En effet, une seule broche permet de lire ce capteur. Une comparaison a ainsi pu être réalisée. De plus, une autre technologie que celle du FPGA a été mise en place. Un Raspberry Pi a été utilisé afin de lire les données de ce capteur et contrôler l’envoi d’un SMS. 2 Glossaire Altera : Fabricant de composants reprogrammables (FPGA) Avalon : Type de bus destiné à destiné à l'implémentation sur des FPGA Bash : Bourne-Again Shell CPU : Central Processing Unit Eclipse : Logiciel rattaché à Quartus (création de la partie Software) Flash : Type de mémoire utilisant des transistors FPGA : Field Programmable Gate Array GPIO : General Purpose Input / Output GSM : Global System for Mobile Communications Hardware : Architecture matérielle I2C : Inter Integrated Circuit IP : Intellectual Property JTAG: Joint Test Action Group: bus servant à programmer le FGA ou le microcontrôleur LED : Light Emitting Diode (DEL : Diode Electroluminescente) LSB : Less Significant Bit Modelsim : Logiciel permettant la simulation de programmes VHDL MSB : Most Significant Bit NMOS : Type de transistor Offset: Valeur représentant une adresse de manière relative PCB : Printed Circuit Board Pin : Broche du FPGA PIN (code) : Personal Identification Number PIO : Programmed Input / Output PIR: Passive InfraRed Qsys : Logiciel rattaché à Quartus (création de la partie hardware) Quartus : Environnement de développement RAM : Random Access Memory R / W : Read / Write SIM : Subscriber Identity Module SMS : Short Message Service SoC : System on Chip Soft-processor : CPU implanté sur un FPGA Software : Instructions informatique SoPC : System on Programmable Chip SDRAM : Synchronous Dynamic Random Access Memory SSH : Secure SHell UART : Universal Asynchronous Receiver Transmitter USB : Universal Serial Bus VHDL : Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Vim : Vi IMproved 3 Table des matières 1. Table des figures ...................................................................................................... 4 2. Introduction .............................................................................................................. 5 3. Gestion de projet ....................................................................................................... 5 4. Analyse fonctionnelle (cahier des charges) .............................................................. 7 5. Développement technique ....................................................................................... 10 5.1. Fonctionnement des Systems on Chip (SoC)................................................. 10 5.2. Liaison I2C entre le capteur et le FPGA (carte DE1) ..................................... 12 5.2.1. Présentation générale du protocole I2C .................................. 12 5.2.2. Modélisation en VHDL ............................................................. 16 5.2.3. Interface avec le Nios II (bus AVALON) ................................ 18 5.3. Utilisation des différents capteurs ................................................................ 20 5.3.1. Capteur ultrason (SRF 08) ..................................................... 20 5.3.2. Capteur thermique (module MTP81) ..................................... 23 5.4. Liaison UART entre le module GSM et le FPGA (carte DE1) ...................... 25 5.5. Création de la carte électronique ................................................................... 27 5.6. Système global ............................................................................................. 28 5.7. Comparaison avec une autre technologie ............................................................... 29 6. Tests ........................................................................................................................ 31 7. Conclusion .............................................................................................................. 33 8. Bibliographie .......................................................................................................... 34 9. Annexes .................................................................................................................. 35 4 1. Table des figures Figure 1 : Diagramme de Gantt .............................................................................................. 6 Figure 2 : Diagramme pieuvre ............................................................................................... 7 Figure 3 : Exemple de mise en action de capteurs .................................................................. 9 Figure 4 : Schéma de l’angle d’action d’un capteur ................................................................ 9 Figure 5 : Exemple d’une architecture d’un SoC .................................................................. 10 Figure 6 : Flot de conception pour le Nios II ........................................................................ 12 Figure 7 : Exemple de transmission de bits sur un bus I2C ................................................... 13 Figure 8 : Exemple de trames I2C ........................................................................................ 15 Figure 9 : Exemple d’un blocage du SCL ............................................................................. 16 Figure 10 : Chronogramme correspondant aux différents signaux d’horloge ........................ 16 Figure 11 : Diagramme d’états pour le composant I2C ......................................................... 17 Figure 12 : Registre de contrôle ........................................................................................... 18 Figure 13 : Capteur ultrason ................................................................................................. 20 Figure 14 : 1ère trame envoyée pour lancer une prise de mesure ............................................ 21 Figure 15 : Trame de lecture pour le registre 2 ..................................................................... 21 Figure 16 : Trame de lecture pour le registre 3 ..................................................................... 21 Figure 17 : Organigramme de détection par mesure de la distance ....................................... 22 Figure 18 : Registres du capteur à ultrason ........................................................................... 22 Figure 19 : Différentes possibilités d’unités en lecture de la donnée ..................................... 22 Figure 20 : Module MT81 .................................................................................................... 23 Figure 21 : Trame pour l’écriture ......................................................................................... 23 Figure 22 : Trame pour la lecture ......................................................................................... 24 Figure 23 : Organigramme de détection par mesure de la température .................................. 25 Figure 24 : Module GSM ..................................................................................................... 25 Figure 25 : Schéma électrique .............................................................................................. 27 Figure 26 : PCB ................................................................................................................... 27 Figure 27 : Architecture globale ........................................................................................... 28 Figure 28 : Capteur PIR et Raspberry Pi .............................................................................. 29 Figure 29 : Schéma du système utilisant le Raspberry Pi et le capteur PIR ............................ 29 5 2. Introduction La télésurveillance consiste à observer un lieu à distance, grâce à l’utilisation de toutes sortes de capteurs ou caméras. Ce système a commencé à se développer à Londres dans les années 1980 suite à certains attentats. Les domaines d’applications de ce procédé sont divers. On peut s’en servir pour la sécurité routière, celle des lieux publics (métro, gare, aéroports…) ainsi que pour la protection de bâtiments dits « sensibles » tels qu’une banque. Cependant, même si dans la majorité des cas, les appareils utilisés sont des caméras de surveillance, différents types d’appareils peuvent être mis en place (capteur thermique, détecteur de mouvement, capteur de distance ultrason…). Durant le projet « réalisation d’un système de télésurveillance et d’alerte », plusieurs capteurs ont été utilisés (ultrason, infrarouge). Le système global consiste à relier les capteurs au FPGA via une liaison I2C et en cas d’intrusion d’envoyer un SMS au propriétaire du lieu grâce à un module GSM relié au FPGA par une liaison UART. C’est le protocole de communication I2C qui a été développé car les plupart des capteurs utilisent ce bus pour transmettre leurs données. De plus, certaines contraintes ont été posées en début de projet. En effet, le choix de la technologie FPGA était imposé (carte DE1 de chez Altera). L’ISEN possédant déjà un capteur ultrason et un thermique utilisant ce système de communication. Il a donc fallu créer une IP I2C sous l’environnement de travail Quartus car le composant n’existait pas dans le logiciel de création hardware Qsys. Seule l’utilisation de Quartus permet de travailler sur le FPGA de chez Altera. Pour ce qui est du module GSM, celui-ci était déjà fourni par l’école avec une UART comme moyen de communication. Afin de faire fonctionner ce système de communication, un programme en langage C a, par la suite, été réalisé. 3. Gestion de projet Afin de mener à bien ce projet, une organisation au sein du binôme a dû être mise en place. Après avoir réalisé le cahier des charges ensemble, les différentes tâches à accomplir ont été réparties au sein du groupe. Cette division des tâches permet d’avoir un meilleur rendement et d’être plus efficace. De plus, pour avoir un suivi de projet et valider certaines étapes uploads/Management/ rapport-projet.pdf