Permet d’actionner par radio –donc à distance– une chaudière ou un climatiseur en utilisant un thermostat traditionnel auquel on couple une liaison HF codée. L’émetteur est relié au thermostat et le récepteur est placé à proximité de la chaudière ou du climatiseur. La portée du système est suffisante pour un appartement ou une villa.
Quand on veut installer un nouvel appareil électrique dans un appartement déjà équipé et habité, surtout si on doit l’intégrer à l’installation électrique existante et qu’on ne se trouve pas très près d’une prise, il nous faut choisir entre deux solutions également insatisfaisantes : créer la nouvelle portion de circuit avec des canalisations apparentes (tubes et colliers ou goulotte collée, etc.), ce qui n’est guère esthétique, ou bien l’encastrer (gaine annelée à bâtir dans une saignée à pratiquer dans le doublage ou –pire– dans le mur), ce qui implique un chantier poussiéreux guère compatible avec l’occupation actuelle du local.
Si l’appareil en question est le thermostat d’une chaudière ou d’un conditionneur d’air (chauffage et/ou climatisation), etc. et qu’on ne s’est pas rendu compte lors du second oeuvre de l’appartement qu’un thermostat “intégré” à l’appareil de chauffage ou de climatisation n’est guère efficace ni précis et qu’il vaut beaucoup mieux placer ce thermostat à distance, dans la pièce la plus éloignée à chauffer ou rafraîchir, eh bien la solution “transfert des données thermostatiques par radio” permet, de la manière la plus rationnelle, d’éviter des travaux, on l’a dit, au rendu inesthétique ou à l’exécution difficile à vivre.
Le système à deux unités distantes TX/RX que cet article vous propose de réaliser est une liaison radio codée UHF à 433,92 MHz à coupler à un thermostat normal : ce dernier est situé à distance de la chaudière ou du conditionneur d’air (dans la pièce la plus éloignée ou celle que l’on veut privilégier) et il pilote l’émetteur TX qui se trouve auprès de lui (en fait, il lui passe des données thermostatiques dont le microcontrôleur tire un flux modulant la porteuse radio émise par le TX).
Auprès de la chaudière ou du conditionneur d’air, etc., se trouve l’unité RX (récepteur) qui reçoit cette porteuse modulée par le flux de données thermostatiques, la démodule (récupère les données), lesquelles vont essentiellement faire coller ou mettre au repos le relais de sortie du récepteur : c’est ce relais de sortie qui commande le thermostat situé sur la chaudière ou le conditionneur d’air, etc.
Notre système peut être assimilé à une radiocommande : ce qui en diffère, c’est qu’au lieu de fermer le contact d’allumage de l’appareil de chauffage/climatisation distant et, lorsque le température est atteinte, l’arrêter –ce qui implique une émission continue– notre émetteur envoie la commande d’allumage ou d’extinction que lui passe le thermostat voisin, puis se met en attente, ce qui est très économique et permet de se contenter de deux piles boutons.
Voilà du moins l’essentiel, mais on va voir qu’en plus le récepteur peut apprendre le code de l’émetteur, ce qui, si vous êtes un fidèle lecteur de notre revue, ne doit guère vous étonner ! Nous allons commencer par analyser le fonctionnement de l’unité TX, puis nous ferons de même pour l’unité RX ; enfin nous passerons à la réalisation pratique des deux platines.
Le schéma électrique de la figure 1 montre que le microcontrôleur et le module TX UHF Aurel constituent la totalité des composants actifs de cette première unité. Après l’initialisation des E/S le programme résident du PIC12F675 (ce programme est le EF614TX) teste continûment la ligne GP5 pour en vérifier l’état logique : quand les points IN sont isolés, la résistance de tirage réglée de manière interne par le logiciel détermine l’état logique haut ; lorsque le thermostat distant (situé près de l’émetteur et relié à lui) ferme ces entrées IN, la GP5 passe au niveau logique bas. Dans les deux cas le micro transmet périodiquement les données d’état de l’entrée IN (soit les données du thermostat) vers le récepteur situé près de la chaudière ou du conditionneur d’air à commander.
Le mode de fonctionnement est paramétré au moyen du dip-switch à deux microinterrupteurs DS1, soit l’état logique des deux lignes GP3 et GP3. A propos de ces dernières, notez un détail : alors que pour GP1 il est possible de paramétrer la résistance de tirage interne, pour GP3 en revanche le PIC ne le permet pas ; il a donc été nécessaire de relier R3 entre la broche 4 de U1 et le positif d’alimentation. Les modes de transmission de l’état du thermostat (qui va devenir l’état de la chaudière ou du conditionneur d’air) sont au nombre de quatre (2^2 puisqu’il y a deux microinterrupteurs à deux positions) :
- le premier mode (les deux microinterrupteurs ouverts) prévoit l’envoi de la commande à chaque changement de l’état logique de l’entrée IN ;
le récepteur exécute immédiatement la commande reçue ;
- la deuxième (mint1 ouvert-mint2 fermé) combine la transmission du changement d’état de IN (soit le mode 1) avec la répétition périodique toutes les trois heures de la condition de l’IN ; comme dans le premier mode, le récepteur ne fait que suivre les commandes entrantes ;
- le troisième mode (mint1 fermémint2 ouvert) est semblable au précédent mais fait passer le délai de trois à une heure ; le récepteur comporte toutefois un mécanisme de sécurité permettant d’ouvrir le contact du relais et de désactiver la chaudière dans le cas où, au bout d’une heure et quart, la dernière condition transmise n’aurait pas été renouvelée ;
- le quatrième et dernier mode (les deux micro-interrupteurs fermés) prévoit la transmission du changement d’état et le renouvellement périodique toutes les trois heures s’il n’y a pas de changement entre temps ; le récepteur exécute les commandes de changement et, toujours par sécurité, si depuis la dernière transmission de changement il ne reçoit pas de confirmation du TX pendant trois heures et quart, il met le relais au repos.
Comme tous les systèmes de commande à distance, bien que conçu pour couvrir une distance de quelques dizaines de mètres, notre télécommande radio comporte un codage dans le but d’empêcher l’émetteur de perturber d’autres systèmes opérant sur la même fréquence et au récepteur d’être activé inopinément par un émetteur ne faisant pas partie du même système.
En outre, afin d’éviter que deux couple TX/RX voisins (par exemple dans deux villas jumelles ou deux appartements du même immeuble) n’interfèrent l’un avec l’autre, il a été prévu la possibilité de définir plusieurs codes : cinq combinaisons, cela semble peu, mais en réalité c’est bien suffisant car il est peu probable qu’on installe plus de deux ou trois thermostats UHF dans le même local.
Mais si vous jetez un coup d’oeil au schéma électrique, vous vous demandez sans doute où sont les composants qui opèrent ce codage ? Eh bien, le paramétrage se fait au moment de l’alimentation du circuit : après une séquence d’allumages rapides, LD1 se met à clignoter lentement pendant 5 secondes environ (2 s allumée, 1 s éteinte) ; pour lancer la programmation de l’adresse identificative du système il faut changer l’état du mint1 pendant le clignotement lent. LD1 fait alors une séquence de clignotements rapides entrecoupés d’extinctions (cela cinq fois).
Pour définir l’adresse il faut remettre mint1 dans sa position d’origine lorsque LD1 a accompli un nombre de clignotements rapides et d’extinctions égal au nombre recherché : par exemple, si l’on veut choisir l’adresse 3 il faut attendre que LD1 ait accompli trois cycles de clignotements rapides et d’extinctions. Quand le mint1 a été remis dans sa position initiale (c’est-à-dire dans laquelle il se trouvait au moment de la mise sous tension du circuit), le logiciel confirme le paramétrage par une séquence de clignotements lents de LD1.
Notez qu’à chaque mise sous tension, si vous n’accédez pas à la procédure de paramétrage, après le clignotement rapide initial et le clignotement 2 s/1 s, le circuit montre l’adresse actuelle : pour la voir, il faut laisser les micro-interrupteurs comme ils sont et attendre la fin du clignotement 2 s/1 s ; à un moment LD1 pulse le nombre de fois (maximum 5) correspondant à l’adresse paramétrée.
Vous vous en apercevrez au moment où vous changerez les piles du TX.
Quand au module émetteur, à chaque transmission il émet, sous forme de trains d’impulsions 0/3 V, les données correspondant à la commande et à l’adresse, accompagnées des informations nécessaires pour identifier la transmission.
Chaque flux émis l’est au format suivant : on commence par le “header” (en-tête), composé de U exprimés chacun par le nombre binaire correspondant à la valeur du standard ASCII, suivi de */ ; puis vient la commande, au format texte ; là encore, chaque lettre est exprimée par sa valeur ASCII (au format binaire).
Suit la fonction, sous forme de numéro (1, 2, 3, 4) correspondant au mode de commande ; après le numéro de mode c’est le code du couplage (1 à 5) qui est transmis ; le flux se termine par une série de A exprimés par les nombres binaires correspondant à leur valeur ASCII.
Les impulsions sont émises par la broche 3 et de là acheminées à la broche 2 du module hybride U2 : ce dernier est un émetteur CMS, conçu par Aurel pour fonctionner à basse tension (2,7 à 5 V) ; son oscillateur est à quartz et PLL et il émet sa porteuse radio en UHF à 433,92 MHz (fréquence exacte et stable) ; la puissance de sortie est de 10 dBm. L’onde est émise par la broche d’antenne (11) quand la ligne d’entrée (2) est soumise à un niveau logique TTL haut ; au zéro logique l’oscillateur s’arrête. A la broche d’antenne on peut relier un simple bout de fil de cuivre de 17 centimètres, ce qui garantit une portée de 50 à 60 mètres.
Mais personne ne vous empêche d’augmenter au besoin cette portée en reliant au point ANT une antenne de 50 ohms d’impédance et bien sûr taillée pour cette fréquence.
Figure 1 : Schéma électrique de l’émetteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 2a : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 3 : Photo d’un des prototypes de l’émetteur de radiocommande pour thermostat.
R2 ... .. 4,7 k
R3 .... . 4,7 k
C1 ...... 100 nF multicouche
C2 ...... 220 μF 16 V électrolytique
C3 ...... 220 μF 16 V électrolytique
D1 ... .. 1N4007
LD1 . .. LED 3 mm verte
DS1 . .. dip-switch à 2 microinterrupteurs
T1 ...... BC557
U1 ...... PIC12F675-EF614TX déjà programmé en usine
U2 ...... TX4MAVPF10
Divers :
1 support 2 x 4
1 bornier 2 pôles
2 porte-piles pour bouton CR2032
2 piles boutons CR2032
1 boîtier plastique approprié (facult.)
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
Voyons –avec un coup d’oeil cette fois au schéma électrique de la figure 4– ce qui se passe quand le RX reçoit un flux de données de la part du TX. Le schéma électrique nous montre un circuit constitué essentiellement d’un module hybride radiorécepteur et d’un microcontrôleur.
Après l’initialisation des E/S le programme résident du PIC12F675 (ce programme est le EF614RX) contrôle continûment les lignes GP0 et GP4 : avec la première il détecte l’arrivée de données du radiorécepteur et avec la seconde il teste l’état du poussoir que l’usager utilise pour imposer la procédure d’auto-apprentissage.
Mais procédons par ordre à partir de l’antenne réceptrice : elle est reliée à la broche 3 et achemine le signal RF capté par l’entrée de U3, un module hybride Aurel RX4M50FM60SF, récepteur superhétérodyne (c’est-à-dire à conversion de fréquence) à haute sensibilité (–111 dBm) et sélectivité (600 kHz à –3 dB) ; le signal démodulé et mis en quadrature est disponible sur la broche 14.
Quand il détecte une commutation sur la ligne GP0, le microcontrôleur sait qu’un flux a été envoyé par l’émetteur : il le transfère en RAM et l’analyse afin de vérifier, avant tout, qu’il est au format adopté pour le système ; si c’est le cas, il extrait l’adresse pour vérifier que la commande provient bien du TX couplé, sinon il suspend la procédure et retourne en attente d’une nouvelle commutation sur GP0 ou GP4. Si le flux est conforme au protocole et qu’il provient bien de l’émetteur couplé, la commande est déchiffrée et le mode est lu (ce mode est transmis constamment et mis à jour).
Deux situations peuvent donc se présenter : l’état transmis est différent de celui dans lequel se trouve actuellement le relais ; dans ce cas la ligne GP2 est paramétrée afin de mettre le relais dans la condition requise.
Si, en revanche, la commande revient à confirmer l’état actuel du relais, elle est ignorée : la sortie commandant le relais reste dans la même condition.
Le contact actif de RL1 est le NO (normalement ouvert) quand on veut activer une chaudière : quand la commande d’activation est reçue (points IN de l’émetteur fermés) le micro met GP2 au niveau logique haut, sature T1 et le fait se fermer ; en revanche, en présence d’une commande de désactivation (ouverture des contacts IN de l’émetteur), GP2 est mise à zéro et laisse T1 interdit, ce qui met au repos le relais et ouvre OUT et NO.
Le programme qui tourne dans le PIC est conçu pour maintenir la commande reçue jusqu’à la réception d’une commande opposée ou bien, dans les modes qui le prévoient, jusqu’à l’écoulement du délai limite pendant lequel le PIC doit attendre le flux de confirmation de la part de l’émetteur.
Ce qui signifie que, si le relais est activé, il le reste jusqu’à ce que le TX envoie un flux contenant la commande opposée (ETEINT) ou bien, en modes 3 et 4, jusqu’au bout du délai prévu (1h15’ pour le 3 et 3h15’ pour le 4) sans arrivée du flux de confirmation périodique.
Voilà pour GP0 ; si en revanche l’événement détecté concerne la commutation de GP4, cela signifie que l’usager a pressé le poussoir avec lequel on requiert le lancement de la procédure de couplage TX/RX : si on presse ce poussoir, le PIC fait clignoter 5 fois LD2, laquelle se maintient ensuite en lumière fixe jusqu’à ce qu’un flux soit reçu de l’émetteur (pour forcer l’émetteur à l’envoyer, il suffit de changer l’état de l’entrée IN, soit l’ouvrir si elle est fermée ou la fermer si elle est ouverte).
Quand les données arrivent, le micro les transfère en RAM et les analyse afin de vérifier avant tout qu’elles ont bien le format du système ; si c’est le cas, il extrait l’adresse qu’il mémorise en EEPROM pour contrôler les flux qui arriveront au cours de l’exercice normal et être assuré que les commandes proviennent bien du TX couplé ; sinon il abandonne la procédure et retourne en attente d’une nouvelle commutation sur GP0 ou GP4. Quand l’adresse est sauvegardée, LD2 clignote d’abord 5 fois rapidement puis s’éteint ; cette signalisation confirme l’acquisition du code et le couplage du récepteur avec l’émetteur qui vient d’effectuer une transmission.
Ceci dit, le circuit dispose de deux LED : LD1 s’allume fixe quand le relais (et donc la sortie de commande de la chaudière) est activé et s’éteint lorsqu’il est au repos ; en revanche LD2, outre la procédure d’auto-apprentissage qu’on vient de voir, en exercice normal clignote à l’arrivée d’un flux en provenance du TX couplé.
Le récepteur dans sa totalité est alimenté avec une tension continue ou alternative de 12 ou 9 V, appliquée aux points + et –PWR : D1, qui dans le premier cas sert de protection contre une inversion accidentelle de la polarité, en alternatif redresse à simple alternance la sinusoïde du secteur 50 Hz. Dans les deux cas, aux extrémités de C1 et C2 nous trouvons une tension continue alimentant l’enroulement du relais ; à travers le régulateur U2, nous ramenons cette tension au 5 V stabilisé dont nous avons besoin pour faire fonctionner le PIC et le module hybride récepteur Aurel.
Figure 4 : Schéma électrique du récepteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 5a : Schéma d’implantation des composants du récepteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 5b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 6 : Photo d’un des prototypes du récepteur de radiocommande pour thermostat.
R2 ...... 10 k
R3 ...... 1 k
R4 ...... 330
C1 ...... 100 nF multicouche
C2 ...... 220 μF 25 V électrolytique
C3 ...... 100 nF multicouche
C4 ...... 220 μF 16 V électrolytique
D1 ...... 1N4007
D2 ...... 1N4007
LD1 ..... LED 5 mm rouge
LD2 ..... LED 5 mm verte
T1 ...... BC547
U1 ...... PIC12F675-EF614RX déjà programmé en usine
U2 ...... 7805
U3 ...... RX4M50FM60
P1 ...... micropoussoir
RL1 ..... relais 12 V
Divers :
1 support 2 x 4
1 bornier 3 pôles
1 prise d’alimentation
1 boulon 3MA 8 millimètre
1 boîtier plastique adapté (facult.)
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
Figure 7 : Le radiothermostat se compose de deux unités. L’émetteur, piloté par le contact du thermostat proprement dit et le récepteur doté d’un relais dont les contact NO et NC sont disponibles pour commander une chaudière ou un climatiseur. L’émetteur est alimenté par deux piles “boutons” CR2032.
Figure 8 : Le protocole de communication.
A chaque émission du TX relié au thermostat un flux de données est envoyé ; son format, toujours le même, est interprété par le microcontrôleur du récepteur qui connaît la syntaxe de la phrase qu’il reçoit ; le format du flux de données est le suivant :
header (ASCII) - */ - commande - fonction - adresse - terminator Le “header” (en-tête) est la tête, justement, c’est-à-dire le début qui identifie le flux ; il est constitué d’une série de lettres U majuscules exprimées chacune avec la valeur binaire correspondant à leur équivalent ASCII, soit 85 (décimale). */ est un paramètre fixe, exprimé, comme à l’accoutumée, avec des nombres binaires correspondant aux valeurs ASCII des différents symboles (42 pour l’astérisque et 47 pour la barre). Commande peut être ALLUME ou ETEINT et est envoyée sous forme de texte, composé de caractères exprimés chacun par sa propre valeur ASCII ; fonction est un nombre égal à 1, 2, 3, 4, selon le paramétrage des micro-interrupteurs de l’émetteur : correspond au mode choisi et est toujours émis dans le but de mettre à jour le paramétrage du récepteur, ce qui lui permet de récupérer la condition de la sortie même après une coupure de courant. Le paramètre Adresse est l’adresse (!) de l’émetteur et il sert au récepteur quand il doit apprendre le code de l’émetteur auquel il est couplé et, en mode utilisation normale, pour vérifier si la commande arrive bien du TX. Terminator (bouchon) est la fin du message ; il se compose d’une série de lettres A majuscules, exprimées chacune par le binaire correspondant à la valeur (65 décimale) dans la table standard des caractères ASCII. Quand il reçoit un flux, le micro du récepteur vérifie avant tout qu’il commence bien par une série de U, sinon il ne va pas plus loin et se met en attente de nouveaux flux arrivant de la sortie du module hybride récepteur.
Notez qu’à chaque émission le TX envoie toujours tous les paramètres significatifs : ce mode de fonctionnement a été conçu pour simplifier les procédures (l’émission sert en effet à commander le récepteur et pour mettre à jour l’état du relais ou effectuer, par apprentissage, le couplage du récepteur à l’émetteur).
Figure 9 : Les contacts de sortie.
L’unité réceptrice du système de contrôle à distance est conçue pour commander l’activation des chaudières à gaz, les pompes à chaleur et autres systèmes de conditionnement d’air (climatiseurs réversibles par exemple) : il comporte pour cela un relais de sortie dont les positions NO et NC sont disponibles, ce qui permet de couvrir toutes les situations ; le contact sera donc utilisé en fonction du type du thermostat que l’on veut coupler à l’émetteur.
Voyons d’abord le modèle à un seul contact : étant donné qu’il se ferme en dessous de la température paramétrée et s’ouvre quand elle est dépassée, il faudra utiliser le contact normalement fermé (C/NC) du relais du récepteur quand on veut gérér un appareil à air conditionné et le normalement ouvert (C/NO) si l’on veut commander une chaudière.
Avec un thermostat à double contact, on devra en revanche n’utiliser que le contact normalement ouvert (C/NO) du relais du récepteur : il suffit de connecter à l’IN (entrée) de l’émetteur le contact du froid (celui qui se ferme quand la température descend sous la valeur paramétrée) si l’on veut gérér un appareil à air conditionné ou celui du chaud (le contact qui se ferme quand la température descend en dessous de la valeur paramétrée) s’il faut commander une chaudière ou une pompe à chaleur).
Le relais que nous avons monté sur le prototype du récepteur est de type haute tension mais il ne peut commuter que des courants relativement faibles, de l’ordre de 1 A. Cela implique qu’on l’utilise pour fermer le contact d’activation du thermostat mécanique ou électromécanique et non pas la ligne d’alimentation principale, laquelle véhicule des courants bien plus importants (surtout vers les appareils à air conditionné) que ce que peut commuter le contact de RL1. Ceci dit, notre système de transfert de commande thermostatique via radio peut être associé à tous les types de thermostats disponibles sur le marché, qu’ils soient mécaniques ou électroniques, pourvu que le contact soit propre.
Attention à l’orientation des composants polarisés : le PIC (repère-détrompeur en U vers R2, mais insérez-le à la toute fin), la diode, la LED, le transistor et les électrolytiques (C3 est monté couché).
Placez les deux piles boutons (le pôle + est la face visible de la pile). Un fil de cuivre de 17 centimètres, soudé au point ANT, constitue l’antenne émettrice.
Voilà pour la platine émetteur.
Sur la platine émetteur vous avez monté un bornier à deux pôles au pas de 5 mm : il facilitera les connexions avec le contact du thermostat. Quant au récepteur, son bornier à trois pôles au pas de 5 mm facilitera la liaison avec le contact d’activation de la chaudière.
A ce propos, précisons qu’habituellement chaudières et pompes à chaleur se mettent à fonctionner quand on ferme leur contact d’activation ; par conséquent, vous devez utiliser les bornes correspondant aux points C et NO de RL1 ; si en revanche vous devez commander un appareil qui s’active lorsqu’on ouvre son contact d’activation, utilisez les bornes C et NC. Ces dernières sont également à utiliser quand on veut utiliser un thermostat à simple contact pour gérer à distance un conditionneur d’air (ou clim réversible) : en effet, les thermostats de chauffage ouvrent leur contact quand la température, en augmentant, atteint la valeur paramétrée et le ferment lorsqu’elle descend en dessous de celle-ci ; donc le relais se ferme dès que l’air ambiant devient suffisamment frais et si on se sert des contacts C/NC la clim se désactive dès que le thermostat, détectant que la température ambiante est descendue jusqu’au niveau voulu, ouvre son contact.
Toujours à propos du relais, souvenezvous que son contact peut accepter une tension maximale de 250 VAC pour un courant ne dépassant pas 1 A : ce qui vous permet de commander le contact d’activation d’une chaudière ou d’une clim, mais pas d’agir directement sur l’alimentation secteur principale de ces appareils dont la puissance dépasse de beaucoup celle du relais.
Afin de rendre autonome l’émetteur, nous l’avons alimenté avec deux piles boutons (à insérer dans leurs clips, pôle positif vers l’extérieur, répétonsle).
Le récepteur étant placé près de la chaudière ou de la clim, on pourra sans inconvénient l’alimenter à partir de la tension de 12 à 15 V (continue ou alternative) tirée d’une petite alimentation secteur (ou un simple transfo) : le courant qu’elle (ou il) doit pouvoir fournir sera d’au moins 150 mA.
Attention, la prise d’alimentation que vous avez monté sur la platine récepteur est de type “jack” à positif au centre (prenez donc un bloc d’alimentation terminé par un jack du même diamètre et de la même polarité).
Alimentez les deux unités TX et RX et vérifiez le fonctionnement du système en forçant l’émission de la part du TX (pour cela, faites varier la condition de l’entrée IN) après avoir pressé P1 du récepteur.
Quand on veut installer un nouvel appareil électrique dans un appartement déjà équipé et habité, surtout si on doit l’intégrer à l’installation électrique existante et qu’on ne se trouve pas très près d’une prise, il nous faut choisir entre deux solutions également insatisfaisantes : créer la nouvelle portion de circuit avec des canalisations apparentes (tubes et colliers ou goulotte collée, etc.), ce qui n’est guère esthétique, ou bien l’encastrer (gaine annelée à bâtir dans une saignée à pratiquer dans le doublage ou –pire– dans le mur), ce qui implique un chantier poussiéreux guère compatible avec l’occupation actuelle du local.
Si l’appareil en question est le thermostat d’une chaudière ou d’un conditionneur d’air (chauffage et/ou climatisation), etc. et qu’on ne s’est pas rendu compte lors du second oeuvre de l’appartement qu’un thermostat “intégré” à l’appareil de chauffage ou de climatisation n’est guère efficace ni précis et qu’il vaut beaucoup mieux placer ce thermostat à distance, dans la pièce la plus éloignée à chauffer ou rafraîchir, eh bien la solution “transfert des données thermostatiques par radio” permet, de la manière la plus rationnelle, d’éviter des travaux, on l’a dit, au rendu inesthétique ou à l’exécution difficile à vivre.
Le système à deux unités distantes TX/RX que cet article vous propose de réaliser est une liaison radio codée UHF à 433,92 MHz à coupler à un thermostat normal : ce dernier est situé à distance de la chaudière ou du conditionneur d’air (dans la pièce la plus éloignée ou celle que l’on veut privilégier) et il pilote l’émetteur TX qui se trouve auprès de lui (en fait, il lui passe des données thermostatiques dont le microcontrôleur tire un flux modulant la porteuse radio émise par le TX).
Auprès de la chaudière ou du conditionneur d’air, etc., se trouve l’unité RX (récepteur) qui reçoit cette porteuse modulée par le flux de données thermostatiques, la démodule (récupère les données), lesquelles vont essentiellement faire coller ou mettre au repos le relais de sortie du récepteur : c’est ce relais de sortie qui commande le thermostat situé sur la chaudière ou le conditionneur d’air, etc.
Notre système peut être assimilé à une radiocommande : ce qui en diffère, c’est qu’au lieu de fermer le contact d’allumage de l’appareil de chauffage/climatisation distant et, lorsque le température est atteinte, l’arrêter –ce qui implique une émission continue– notre émetteur envoie la commande d’allumage ou d’extinction que lui passe le thermostat voisin, puis se met en attente, ce qui est très économique et permet de se contenter de deux piles boutons.
Voilà du moins l’essentiel, mais on va voir qu’en plus le récepteur peut apprendre le code de l’émetteur, ce qui, si vous êtes un fidèle lecteur de notre revue, ne doit guère vous étonner ! Nous allons commencer par analyser le fonctionnement de l’unité TX, puis nous ferons de même pour l’unité RX ; enfin nous passerons à la réalisation pratique des deux platines.
L’émetteur
Le schéma électrique de la figure 1 montre que le microcontrôleur et le module TX UHF Aurel constituent la totalité des composants actifs de cette première unité. Après l’initialisation des E/S le programme résident du PIC12F675 (ce programme est le EF614TX) teste continûment la ligne GP5 pour en vérifier l’état logique : quand les points IN sont isolés, la résistance de tirage réglée de manière interne par le logiciel détermine l’état logique haut ; lorsque le thermostat distant (situé près de l’émetteur et relié à lui) ferme ces entrées IN, la GP5 passe au niveau logique bas. Dans les deux cas le micro transmet périodiquement les données d’état de l’entrée IN (soit les données du thermostat) vers le récepteur situé près de la chaudière ou du conditionneur d’air à commander.
Le mode de fonctionnement est paramétré au moyen du dip-switch à deux microinterrupteurs DS1, soit l’état logique des deux lignes GP3 et GP3. A propos de ces dernières, notez un détail : alors que pour GP1 il est possible de paramétrer la résistance de tirage interne, pour GP3 en revanche le PIC ne le permet pas ; il a donc été nécessaire de relier R3 entre la broche 4 de U1 et le positif d’alimentation. Les modes de transmission de l’état du thermostat (qui va devenir l’état de la chaudière ou du conditionneur d’air) sont au nombre de quatre (2^2 puisqu’il y a deux microinterrupteurs à deux positions) :
- le premier mode (les deux microinterrupteurs ouverts) prévoit l’envoi de la commande à chaque changement de l’état logique de l’entrée IN ;
le récepteur exécute immédiatement la commande reçue ;
- la deuxième (mint1 ouvert-mint2 fermé) combine la transmission du changement d’état de IN (soit le mode 1) avec la répétition périodique toutes les trois heures de la condition de l’IN ; comme dans le premier mode, le récepteur ne fait que suivre les commandes entrantes ;
- le troisième mode (mint1 fermémint2 ouvert) est semblable au précédent mais fait passer le délai de trois à une heure ; le récepteur comporte toutefois un mécanisme de sécurité permettant d’ouvrir le contact du relais et de désactiver la chaudière dans le cas où, au bout d’une heure et quart, la dernière condition transmise n’aurait pas été renouvelée ;
- le quatrième et dernier mode (les deux micro-interrupteurs fermés) prévoit la transmission du changement d’état et le renouvellement périodique toutes les trois heures s’il n’y a pas de changement entre temps ; le récepteur exécute les commandes de changement et, toujours par sécurité, si depuis la dernière transmission de changement il ne reçoit pas de confirmation du TX pendant trois heures et quart, il met le relais au repos.
Comme tous les systèmes de commande à distance, bien que conçu pour couvrir une distance de quelques dizaines de mètres, notre télécommande radio comporte un codage dans le but d’empêcher l’émetteur de perturber d’autres systèmes opérant sur la même fréquence et au récepteur d’être activé inopinément par un émetteur ne faisant pas partie du même système.
En outre, afin d’éviter que deux couple TX/RX voisins (par exemple dans deux villas jumelles ou deux appartements du même immeuble) n’interfèrent l’un avec l’autre, il a été prévu la possibilité de définir plusieurs codes : cinq combinaisons, cela semble peu, mais en réalité c’est bien suffisant car il est peu probable qu’on installe plus de deux ou trois thermostats UHF dans le même local.
Mais si vous jetez un coup d’oeil au schéma électrique, vous vous demandez sans doute où sont les composants qui opèrent ce codage ? Eh bien, le paramétrage se fait au moment de l’alimentation du circuit : après une séquence d’allumages rapides, LD1 se met à clignoter lentement pendant 5 secondes environ (2 s allumée, 1 s éteinte) ; pour lancer la programmation de l’adresse identificative du système il faut changer l’état du mint1 pendant le clignotement lent. LD1 fait alors une séquence de clignotements rapides entrecoupés d’extinctions (cela cinq fois).
Pour définir l’adresse il faut remettre mint1 dans sa position d’origine lorsque LD1 a accompli un nombre de clignotements rapides et d’extinctions égal au nombre recherché : par exemple, si l’on veut choisir l’adresse 3 il faut attendre que LD1 ait accompli trois cycles de clignotements rapides et d’extinctions. Quand le mint1 a été remis dans sa position initiale (c’est-à-dire dans laquelle il se trouvait au moment de la mise sous tension du circuit), le logiciel confirme le paramétrage par une séquence de clignotements lents de LD1.
Notez qu’à chaque mise sous tension, si vous n’accédez pas à la procédure de paramétrage, après le clignotement rapide initial et le clignotement 2 s/1 s, le circuit montre l’adresse actuelle : pour la voir, il faut laisser les micro-interrupteurs comme ils sont et attendre la fin du clignotement 2 s/1 s ; à un moment LD1 pulse le nombre de fois (maximum 5) correspondant à l’adresse paramétrée.
Vous vous en apercevrez au moment où vous changerez les piles du TX.
Quand au module émetteur, à chaque transmission il émet, sous forme de trains d’impulsions 0/3 V, les données correspondant à la commande et à l’adresse, accompagnées des informations nécessaires pour identifier la transmission.
Chaque flux émis l’est au format suivant : on commence par le “header” (en-tête), composé de U exprimés chacun par le nombre binaire correspondant à la valeur du standard ASCII, suivi de */ ; puis vient la commande, au format texte ; là encore, chaque lettre est exprimée par sa valeur ASCII (au format binaire).
Suit la fonction, sous forme de numéro (1, 2, 3, 4) correspondant au mode de commande ; après le numéro de mode c’est le code du couplage (1 à 5) qui est transmis ; le flux se termine par une série de A exprimés par les nombres binaires correspondant à leur valeur ASCII.
Les impulsions sont émises par la broche 3 et de là acheminées à la broche 2 du module hybride U2 : ce dernier est un émetteur CMS, conçu par Aurel pour fonctionner à basse tension (2,7 à 5 V) ; son oscillateur est à quartz et PLL et il émet sa porteuse radio en UHF à 433,92 MHz (fréquence exacte et stable) ; la puissance de sortie est de 10 dBm. L’onde est émise par la broche d’antenne (11) quand la ligne d’entrée (2) est soumise à un niveau logique TTL haut ; au zéro logique l’oscillateur s’arrête. A la broche d’antenne on peut relier un simple bout de fil de cuivre de 17 centimètres, ce qui garantit une portée de 50 à 60 mètres.
Mais personne ne vous empêche d’augmenter au besoin cette portée en reliant au point ANT une antenne de 50 ohms d’impédance et bien sûr taillée pour cette fréquence.
Figure 1 : Schéma électrique de l’émetteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 2a : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur de radiocommande pour thermostat.
Figure 2b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur de radiocommande pour thermostat.
Liste des composants
R1 .. ... 470R2 ... .. 4,7 k
R3 .... . 4,7 k
C1 ...... 100 nF multicouche
C2 ...... 220 μF 16 V électrolytique
C3 ...... 220 μF 16 V électrolytique
D1 ... .. 1N4007
LD1 . .. LED 3 mm verte
DS1 . .. dip-switch à 2 microinterrupteurs
T1 ...... BC557
U1 ...... PIC12F675-EF614TX déjà programmé en usine
U2 ...... TX4MAVPF10
Divers :
1 support 2 x 4
1 bornier 2 pôles
2 porte-piles pour bouton CR2032
2 piles boutons CR2032
1 boîtier plastique approprié (facult.)
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
Le récepteur
Voyons –avec un coup d’oeil cette fois au schéma électrique de la figure 4– ce qui se passe quand le RX reçoit un flux de données de la part du TX. Le schéma électrique nous montre un circuit constitué essentiellement d’un module hybride radiorécepteur et d’un microcontrôleur.
Après l’initialisation des E/S le programme résident du PIC12F675 (ce programme est le EF614RX) contrôle continûment les lignes GP0 et GP4 : avec la première il détecte l’arrivée de données du radiorécepteur et avec la seconde il teste l’état du poussoir que l’usager utilise pour imposer la procédure d’auto-apprentissage.
Mais procédons par ordre à partir de l’antenne réceptrice : elle est reliée à la broche 3 et achemine le signal RF capté par l’entrée de U3, un module hybride Aurel RX4M50FM60SF, récepteur superhétérodyne (c’est-à-dire à conversion de fréquence) à haute sensibilité (–111 dBm) et sélectivité (600 kHz à –3 dB) ; le signal démodulé et mis en quadrature est disponible sur la broche 14.
Quand il détecte une commutation sur la ligne GP0, le microcontrôleur sait qu’un flux a été envoyé par l’émetteur : il le transfère en RAM et l’analyse afin de vérifier, avant tout, qu’il est au format adopté pour le système ; si c’est le cas, il extrait l’adresse pour vérifier que la commande provient bien du TX couplé, sinon il suspend la procédure et retourne en attente d’une nouvelle commutation sur GP0 ou GP4. Si le flux est conforme au protocole et qu’il provient bien de l’émetteur couplé, la commande est déchiffrée et le mode est lu (ce mode est transmis constamment et mis à jour).
Deux situations peuvent donc se présenter : l’état transmis est différent de celui dans lequel se trouve actuellement le relais ; dans ce cas la ligne GP2 est paramétrée afin de mettre le relais dans la condition requise.
Si, en revanche, la commande revient à confirmer l’état actuel du relais, elle est ignorée : la sortie commandant le relais reste dans la même condition.
Le contact actif de RL1 est le NO (normalement ouvert) quand on veut activer une chaudière : quand la commande d’activation est reçue (points IN de l’émetteur fermés) le micro met GP2 au niveau logique haut, sature T1 et le fait se fermer ; en revanche, en présence d’une commande de désactivation (ouverture des contacts IN de l’émetteur), GP2 est mise à zéro et laisse T1 interdit, ce qui met au repos le relais et ouvre OUT et NO.
Le programme qui tourne dans le PIC est conçu pour maintenir la commande reçue jusqu’à la réception d’une commande opposée ou bien, dans les modes qui le prévoient, jusqu’à l’écoulement du délai limite pendant lequel le PIC doit attendre le flux de confirmation de la part de l’émetteur.
Ce qui signifie que, si le relais est activé, il le reste jusqu’à ce que le TX envoie un flux contenant la commande opposée (ETEINT) ou bien, en modes 3 et 4, jusqu’au bout du délai prévu (1h15’ pour le 3 et 3h15’ pour le 4) sans arrivée du flux de confirmation périodique.
Voilà pour GP0 ; si en revanche l’événement détecté concerne la commutation de GP4, cela signifie que l’usager a pressé le poussoir avec lequel on requiert le lancement de la procédure de couplage TX/RX : si on presse ce poussoir, le PIC fait clignoter 5 fois LD2, laquelle se maintient ensuite en lumière fixe jusqu’à ce qu’un flux soit reçu de l’émetteur (pour forcer l’émetteur à l’envoyer, il suffit de changer l’état de l’entrée IN, soit l’ouvrir si elle est fermée ou la fermer si elle est ouverte).
Quand les données arrivent, le micro les transfère en RAM et les analyse afin de vérifier avant tout qu’elles ont bien le format du système ; si c’est le cas, il extrait l’adresse qu’il mémorise en EEPROM pour contrôler les flux qui arriveront au cours de l’exercice normal et être assuré que les commandes proviennent bien du TX couplé ; sinon il abandonne la procédure et retourne en attente d’une nouvelle commutation sur GP0 ou GP4. Quand l’adresse est sauvegardée, LD2 clignote d’abord 5 fois rapidement puis s’éteint ; cette signalisation confirme l’acquisition du code et le couplage du récepteur avec l’émetteur qui vient d’effectuer une transmission.
Ceci dit, le circuit dispose de deux LED : LD1 s’allume fixe quand le relais (et donc la sortie de commande de la chaudière) est activé et s’éteint lorsqu’il est au repos ; en revanche LD2, outre la procédure d’auto-apprentissage qu’on vient de voir, en exercice normal clignote à l’arrivée d’un flux en provenance du TX couplé.
Le récepteur dans sa totalité est alimenté avec une tension continue ou alternative de 12 ou 9 V, appliquée aux points + et –PWR : D1, qui dans le premier cas sert de protection contre une inversion accidentelle de la polarité, en alternatif redresse à simple alternance la sinusoïde du secteur 50 Hz. Dans les deux cas, aux extrémités de C1 et C2 nous trouvons une tension continue alimentant l’enroulement du relais ; à travers le régulateur U2, nous ramenons cette tension au 5 V stabilisé dont nous avons besoin pour faire fonctionner le PIC et le module hybride récepteur Aurel.
Figure 4 : Schéma électrique du récepteur de radiocommande pour thermostat.Figure 5b : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur de radiocommande pour thermostat.Figure 6 : Photo d’un des prototypes du récepteur de radiocommande pour thermostat.Liste des composants
R1 ...... 4,7 kR2 ...... 10 k
R3 ...... 1 k
R4 ...... 330
C1 ...... 100 nF multicouche
C2 ...... 220 μF 25 V électrolytique
C3 ...... 100 nF multicouche
C4 ...... 220 μF 16 V électrolytique
D1 ...... 1N4007
D2 ...... 1N4007
LD1 ..... LED 5 mm rouge
LD2 ..... LED 5 mm verte
T1 ...... BC547
U1 ...... PIC12F675-EF614RX déjà programmé en usine
U2 ...... 7805
U3 ...... RX4M50FM60
P1 ...... micropoussoir
RL1 ..... relais 12 V
Divers :
1 support 2 x 4
1 bornier 3 pôles
1 prise d’alimentation
1 boulon 3MA 8 millimètre
1 boîtier plastique adapté (facult.)
Sauf spécification contraire, toutes les résistances sont des 1/4 W à 5 %.
La réalisation pratique de l’émetteur et du récepteur
La réalisation pratique de ce thermostat contrôlé à distance par radio est assez simple bien qu’il faille réaliser les deux platines, une pour le TX et l’autre pour le RX.Figure 7 : Le radiothermostat se compose de deux unités. L’émetteur, piloté par le contact du thermostat proprement dit et le récepteur doté d’un relais dont les contact NO et NC sont disponibles pour commander une chaudière ou un climatiseur. L’émetteur est alimenté par deux piles “boutons” CR2032.Figure 8 : Le protocole de communication.
A chaque émission du TX relié au thermostat un flux de données est envoyé ; son format, toujours le même, est interprété par le microcontrôleur du récepteur qui connaît la syntaxe de la phrase qu’il reçoit ; le format du flux de données est le suivant :
Notez qu’à chaque émission le TX envoie toujours tous les paramètres significatifs : ce mode de fonctionnement a été conçu pour simplifier les procédures (l’émission sert en effet à commander le récepteur et pour mettre à jour l’état du relais ou effectuer, par apprentissage, le couplage du récepteur à l’émetteur).
Figure 9 : Les contacts de sortie.L’unité réceptrice du système de contrôle à distance est conçue pour commander l’activation des chaudières à gaz, les pompes à chaleur et autres systèmes de conditionnement d’air (climatiseurs réversibles par exemple) : il comporte pour cela un relais de sortie dont les positions NO et NC sont disponibles, ce qui permet de couvrir toutes les situations ; le contact sera donc utilisé en fonction du type du thermostat que l’on veut coupler à l’émetteur.
Voyons d’abord le modèle à un seul contact : étant donné qu’il se ferme en dessous de la température paramétrée et s’ouvre quand elle est dépassée, il faudra utiliser le contact normalement fermé (C/NC) du relais du récepteur quand on veut gérér un appareil à air conditionné et le normalement ouvert (C/NO) si l’on veut commander une chaudière.
Avec un thermostat à double contact, on devra en revanche n’utiliser que le contact normalement ouvert (C/NO) du relais du récepteur : il suffit de connecter à l’IN (entrée) de l’émetteur le contact du froid (celui qui se ferme quand la température descend sous la valeur paramétrée) si l’on veut gérér un appareil à air conditionné ou celui du chaud (le contact qui se ferme quand la température descend en dessous de la valeur paramétrée) s’il faut commander une chaudière ou une pompe à chaleur).
Le relais que nous avons monté sur le prototype du récepteur est de type haute tension mais il ne peut commuter que des courants relativement faibles, de l’ordre de 1 A. Cela implique qu’on l’utilise pour fermer le contact d’activation du thermostat mécanique ou électromécanique et non pas la ligne d’alimentation principale, laquelle véhicule des courants bien plus importants (surtout vers les appareils à air conditionné) que ce que peut commuter le contact de RL1. Ceci dit, notre système de transfert de commande thermostatique via radio peut être associé à tous les types de thermostats disponibles sur le marché, qu’ils soient mécaniques ou électroniques, pourvu que le contact soit propre.
La réalisation pratique de l’émetteur
La platine est constituée d’un circuit imprimé simple face, dont la figure 2b donne le dessin à l’échelle 1. Commencez par insérer le support du PIC et vérifiez attentivement vos soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée). Insérez et soudez ensuite tous les composants (comme le montrent les figures 2a et 3), en poursuivant par les résistances, les condensateurs, la diode, la LED, le dipswitch, le transistor et en terminant par les “périphériques” : les deux clips de piles boutons, le bornier à deux pôles et enfin le module hybride émetteur (à monter debout).Attention à l’orientation des composants polarisés : le PIC (repère-détrompeur en U vers R2, mais insérez-le à la toute fin), la diode, la LED, le transistor et les électrolytiques (C3 est monté couché).
Placez les deux piles boutons (le pôle + est la face visible de la pile). Un fil de cuivre de 17 centimètres, soudé au point ANT, constitue l’antenne émettrice.
Voilà pour la platine émetteur.
La réalisation pratique du récepteur
La platine est également un circuit imprimé simple face, dont la figure 5b donne le dessin à l’échelle 1. Commencez par insérer le support du PIC et vérifiez attentivement vos soudures (ni court-circuit entre pistes ou pastilles ni soudure froide collée). Insérez et soudez ensuite tous les composants (comme le montrent les figures 5a et 6), en poursuivant par les résistances, les condensateurs, les diodes, les LED, le transistor, le régulateur (monté couché sans dissipateur et fixé par un boulon 3MA) et en terminant par les “périphériques” : le relais, le bornier à trois pôles, la prise “jack” d’alimentation et enfin le module hybride récepteur (à monter debout). Attention à l’orientation des composants polarisés : le PIC (repère-détrompeur en U vers l’extérieur, mais insérez-le à la toute fin), les diodes, les LED, le transistor et les électrolytiques (tous deux montés debout cette fois). Un fil de cuivre de 17 centimètres, soudé au point ANT, constitue l’antenne réceptrice. Et voilà pour la platine récepteur.L’installation et l’utilisation
Vous pouvez maintenant installer les platines dans deux boîtiers plastiques de dimensions appropriées ou alors les intégrer directement, à l’appartement pour le TX associé à son thermostat et à la chaudière ou au climatiseur pour le récepteur.Sur la platine émetteur vous avez monté un bornier à deux pôles au pas de 5 mm : il facilitera les connexions avec le contact du thermostat. Quant au récepteur, son bornier à trois pôles au pas de 5 mm facilitera la liaison avec le contact d’activation de la chaudière.
A ce propos, précisons qu’habituellement chaudières et pompes à chaleur se mettent à fonctionner quand on ferme leur contact d’activation ; par conséquent, vous devez utiliser les bornes correspondant aux points C et NO de RL1 ; si en revanche vous devez commander un appareil qui s’active lorsqu’on ouvre son contact d’activation, utilisez les bornes C et NC. Ces dernières sont également à utiliser quand on veut utiliser un thermostat à simple contact pour gérer à distance un conditionneur d’air (ou clim réversible) : en effet, les thermostats de chauffage ouvrent leur contact quand la température, en augmentant, atteint la valeur paramétrée et le ferment lorsqu’elle descend en dessous de celle-ci ; donc le relais se ferme dès que l’air ambiant devient suffisamment frais et si on se sert des contacts C/NC la clim se désactive dès que le thermostat, détectant que la température ambiante est descendue jusqu’au niveau voulu, ouvre son contact.
Toujours à propos du relais, souvenezvous que son contact peut accepter une tension maximale de 250 VAC pour un courant ne dépassant pas 1 A : ce qui vous permet de commander le contact d’activation d’une chaudière ou d’une clim, mais pas d’agir directement sur l’alimentation secteur principale de ces appareils dont la puissance dépasse de beaucoup celle du relais.
Afin de rendre autonome l’émetteur, nous l’avons alimenté avec deux piles boutons (à insérer dans leurs clips, pôle positif vers l’extérieur, répétonsle).
Le récepteur étant placé près de la chaudière ou de la clim, on pourra sans inconvénient l’alimenter à partir de la tension de 12 à 15 V (continue ou alternative) tirée d’une petite alimentation secteur (ou un simple transfo) : le courant qu’elle (ou il) doit pouvoir fournir sera d’au moins 150 mA.
Attention, la prise d’alimentation que vous avez monté sur la platine récepteur est de type “jack” à positif au centre (prenez donc un bloc d’alimentation terminé par un jack du même diamètre et de la même polarité).
Alimentez les deux unités TX et RX et vérifiez le fonctionnement du système en forçant l’émission de la part du TX (pour cela, faites varier la condition de l’entrée IN) après avoir pressé P1 du récepteur.
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