Un système d’alarme bi-fréquence à sécurité renforcée



Voici un émetteur et un récepteur utilisant les nouveaux modules AUREL bi-fréquence. Cette particularité permet de renforcer considérablement la sécurité aux déclenchements intempestifs ou aux tentatives de brouillage. Cet ensemble trouvera son application naturelle dans les systèmes d’alarme. Bien entendu on peut également l’utiliser pour effectuer n’importe quelle commande demandant un bon niveau de sécurité.

Dans le domaine du contrôle radio et plus généralement dans celui de la sécurité, la nouveauté la plus intéressante est sans doute celle que présentent les systèmes dénommés “dual-frequency” (bi-fréquence en français) et qui travaillent sur deux fréquences, tant en émission qu’en réception.
Cette particularité permet d’accéder à un plus haut degré de sécurité dans le fonctionnement des systèmes d’alarme, surtout quand on est obligé, pour atteindre la centrale, de mettre en oeuvre une puissance importante.
Voilà le “talon d’Achille” de presque tous les systèmes d’alarme radio : un émetteur radio de puissance élevée travaillant sur la même fréquence que la centrale peut très bien saturer le récepteur et l’empêcher de reconnaître le code de l’alarme provenant des différents capteurs. Si l’émetteur utilisé est modulé par des impulsions numériques, la centrale ne pourra pas les identifier.
L’un des rares procédés en mesure d’empêcher ce type de désagrément consiste à employer un système à fréquence double alternée : ainsi, quand l’une des deux est “paralysée”, l’autre peut certainement atteindre la centrale et lui faire lire le code. Mais, bien que ce soit la raison principale qui justifie l’emploi d’un tel procédé, le système à double fréquence peut permettre d’autres applications fort intéressantes.

Notre application
C’est en nous servant d’un émetteur et d’un récepteur de ce type que nous avons réalisé le système décrit dans cet article : une alarme radio, pour contacts magnétiques ou mécaniques, à l’épreuve des interférences.
Un montage sans difficultés particulières et qui vous permettra de voir à l’oeuvre ce genre de modules, fabriqués par AUREL.

Les nouveaux modules AUREL “dual-frequency”
Avant de nous occuper des montages TX et RX proprement dits, voyons comment fonctionnent ces nouveaux circuits.

L’émetteur
L’émetteur dénommé TX-4D50PA10, dont on pourra trouver les principales caractéristiques en figure 3, met en oeuvre un PLL à quartz prévoyant une modulation ON/OFF de la porteuse HF, avec transmission de données numériques, à une fréquence maximum de 2 kHz.
La fréquence HF est commutée de 433,42 MHz à 434,42 MHz de manière automatique chaque 0,5 seconde (chaque demi-seconde, si vous préférez) ou manuellement au moyen d’une commande numérique.
Le module réclame une tension de 5 V, consomme 16 mA et fournit une puissance HF de +10 dBm sous une charge de 50 ohms. Physiquement le module se présente selon la classique configuration SIL (“single in line”, en ligne), toutes les pattes du même côté, au pas de 2,54 mm. Dimensions : 39 x 19,6 mm, épaisseur 6 mm. Ce module est à même d’émettre sur une seule fréquence à la fois et il dispose d’un commutateur interne qui, lorsqu’il est activé, permet le passage automatique d’une fréquence à l’autre.

Le récepteur
Le récepteur dénommé RX-4D50SAA0SF, dont on pourra trouver les principales caractéristiques en figure 8, fonctionne assez différemment : il reçoit en même temps les 2 fréquences et dispose de 2 sorties séparées.
Pour cela on a dû recourir à des circuits superhétérodynes à bande étroite dont la sélectivité élevée est obtenue grâce à l’emploi de filtres SAW.
A part cela, les 2 fréquences sont les mêmes que celles de l’émetteur, c’està- dire 433,42 et 434,42 MHz.
Ce module, aussi, demande une tension de 5 V mais il consomme seulement 10 mA, ce qui est peu, compte tenu du fait que le module intègre 2 véritables récepteurs à conversion de fréquence.
Ses autres caractéristiques intéressantes sont sa sensibilité, supérieure à –100 dBm, et sa bande passante de 1,5 MHz en HF et de seulement 60 kHz en FI.
Mécaniquement, le module récepteur a la forme d’une “savonnette” de 41 x 29 mm, épaisseur 10 mm. Les broches sont situées sur 2 rangs distants de 25,4 mm et sont au pas de 5,08 mm.

Figure 1 : Organigrammes par sous-ensembles, affectation des entrées/sorties et caractéristiques HF (2 fréquences : voyez les 2 pics, séparés par 2 x 500 kHz de part et d’autre de la fréquence centrale 433,92 MHz) des deux modules AUREL. Le TX (7 pattes longues pour un montage debout à 90° par rapport au circuit) et le RX, en boîtier “savonnette” (15 broches pour un montage couché à 180° sur le circuit).

Figure 2 : Schéma électrique de l’émetteur.

Figure 3 : Le module TX
Module hybride émetteur à PLL à quartz (antenne non incorporée) avec modulation ON/OFF de la porteuse HF : la fréquence est commutée de 433,42 à 434,42 MHz chaque demi-seconde ou manuellement.
Les données numériques (code choisi par les micro-interrupteurs) utilisent les 2 canaux ainsi constitués et on les retrouvera sur les 2 canaux de sortie du RX (voir figures 8 et 12).

Figure 3a : Photo du module vu de l’arrière (côté cuivre) avec les 2 quartz générant les 2 fréquences à PLL.

Figure 3b : Schéma de brochage du module vu côté composants.
1, 4, 13 : masses
2 : entrée modulation
3 : commande de commutation des 2 fréquences
11 : sortie HF
15 : +V


Figure 3c : L’organigramme par sous-ensembles reporte celui de la figure 1.

Figure 4 : Schéma d’implantation des composants de l’émetteur pour système de sécurité.

Figure 5 : Photo d’un des prototypes de l’émetteur bi-fréquence.

Figure 6 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé de l’émetteur.

Liste des composants de l’émetteur
R1 = 1 MΩ
R2 = 47 kΩ
R3 = 47 kΩ
R4 = 2,2 Ω
R5 = 47 kΩ
R6 = 47 kΩ
R7 = 680 Ω
R8 = 68 Ω
R9 = 47 kΩ
R10 = 100 kΩ
R11 = 680 Ω
C1 = 100 nF multicouche
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 100 nF multicouche
C4 = 100 μF 25 V électrolytique
C5 = 100 μF 25 V électrolytique
C6 = 100 nF multicouche
C7 = 4700 pF céramique
C8 = 100 μF 25 V électrolytique
U1 = Intégré 4093
U2 = Codeur MC145026
U3 = Module TX-4D50PA10
D1 = Diode 1N4007
D2 = Diode 1N4148
D3 = Diode 1N4148
DZ1 = Diode zener 5,1 V
T1 = Transistor NPN BD137
LD1 = LED rouge 5 mm
DS1 = Dip-switchs 9 micro-inter. 3 pos.

Divers :
1 Support 2 x 7 broches
1 Support 2 x 8 broches
1 Bornier 3 pôles
1 Contact pression pour piles 6F22 (9 V)
1 Circuit imprimé réf. S380A


Figure 7 : Schéma électrique du récepteur.


Figure 8 : Le module RX
Module récepteur superhétérodyne à double fréquence et à bande étroite, idéal pour la réception simultanée des 2 fréquences 433,42 et 434,42 MHz. Sélectivité HF élevée grâce au filtre SAW.
Les sorties des 2 canaux AM, complètement séparées, sont sur les broches 2 (433,42 MHz) et 12 (434,42 MHz).

Figure 8a : Photo du module hybride récepteur, blindé, vu de dessus.

Figure 8b : Schéma de brochage du module RX vu de dessus.
1, 3, 5, 7, 9, 12, 13, 14, 15 : masses
2 : sorties données CANAL 1
4 : point test CANAL 1
6 : entrée antenne
8 : non connecté
10 : point test CANAL 2
11 : sortie données CANAL 2
16 : +V


8c : L’organigramme par sous-ensemble reporte celui de la figure 1.

Figure 9 : Schéma d’implantation des composants du récepteur pour système de sécurité.

Figure 10 : Photo d’un des prototypes du récepteur bi-fréquence.

Figure 11 : Dessin, à l’échelle 1, du circuit imprimé du récepteur.

Liste des composants du récepteur
R1 = 10 kΩ
R2 = 10 kΩ
R3 = 4,7 kΩ
R4 = 1,2 kΩ
R5 = 1,2 kΩ
R6 = 1,2 kΩ
R7 = 1,2 kΩ
R8 = 470 Ω
C1 = 100 μF 25 V électrolytique
C2 = 100 nF multicouche
C3 = 100 μF 25 V électrolytique
U1 = μC MF380
U2 = Module RX-4D50SAA0SF
U3 = Régulateur 7805
D1 = diode 1N4007
D2 = Diode 1N4007
Q1 = Quartz 4 MHz
T1 = Transistor NPN BC547
LD1à LD4 = LED rouge 5 mm
RL1 = Relais min. pour ci 12 V 1 RT
P1-P2 = Poussoirs carrés pour ci

Divers :
1 support 2 x 9 broches
1 Bornier 2 pôles
1 Bornier 3 pôles
2 coupes de 17 cm
fil émaillé 12/10
1 Circuit imprimé réf. S380B


Les deux montages, émetteur et récepteur
Il nous faut maintenant nous occuper de notre système de sécurité radio comprenant, comme on le voit sur les photos des figures 5 et 10, l’émetteur pour contacts et le récepteur dont les sorties sont régies par microcontrôleur.
Dans la pratique, le récepteur déclenche l’alarme quand le code mémorisé apparaît sur l’une ou l’autre de ses 2 fréquences, c’est-à-dire sur l’un de ses 2 canaux de sortie (voir figures 8 et 12), ou bien quand les 2 sorties reçoivent des perturbations pendant une période prédéterminée.
De cette façon notre système d’alarme est en mesure d’annuler les effets indésirables, non seulement d’un émetteur “pirate” opérant sur une des 2 fréquences, mais encore d’un éventuel émetteur ““sweepé” qui agirait sur les 2 canaux.

L’émetteur
Analysons de près le fonctionnement du TX dont le schéma est présenté figure 2. Le circuit peut être divisé en deux sous-ensembles fonctionnels, l’étage de contrôle et l’émetteur radio codé.
La première section utilise un circuit intégré d’entrée CMOS, un temporisateur et un interrupteur statique. La seconde, un codeur MOTOROLA et le fameux module émetteur bi-fréquence AUREL. Le montage prévoit 2 entrées marquées NO (normalement ouvert) et NF (normalement fermé). Entre les deux, nous avons une masse, marquée d’un “T” retourné. Les contacts d’effraction (portes, fenêtres, etc.), magnétiques ou mécaniques, seront connectés entre ces points, NO, NF et la masse.
A l’entrée NO seront connectés les dispositifs à contacts normalement ouverts en les montant en parallèle si nécessaire. En procédant ainsi, l’émetteur s’activera avec la fermeture d’un seul des contacts d’effraction. La fermeture à la masse de l’entée NO provoque une brève impulsion négative sur la broche 13 de U1b, déterminant la commutation du circuit monostable qui fait face à U1b et U1c.
Le capteur à contact normalement fermé sera connecté à l’entrée NF et, s’il y en a plus d’un, on connectera l’autre ou les autres en série. Ainsi, l’ouverture d’un seul contact d’effraction (ex. fenêtre) provoquera l’activation de l’émetteur.
Comme dans le cas précédent cela produira une impulsion négative sur la broche 13 de U1b, activant le monostable. Contrairement aux autres dispositifs de ce genre, dans notre cas il est possible d’utiliser en même temps les 2 entrées.
De plus, si l’entrée NF n’est pas utilisée, elle peut être laissée libre.
La brève impulsion d’alarme, appliquée à la broche 13 de U1b, provoque la commutation du temporisateur monostable qui fait face à U1b et U1c. En pratique, le niveau logique de la broche 10 de U1c passe de “1” à “0” et demeure dans cet état environ 5 secondes, temps nécessaire pour que le conden sateur C5 se décharge à travers la résistance R5. Après cette période le monostable retourne à l’état de repos.
La commutation provoque, à travers la porte U1d, l’entrée en conduction, pour environ 5 secondes, du transistor T1 placé sur la ligne d’alimentation de l’étage HF. Celui-ci se trouve ainsi alimenté et peut émettre le signal d’alarme. Cet état est signalé par l’allumage de la LED LD1.
Remarquez bien que, en aval du transistor T1, la présence de la résistance R8 et celle de la zener DZ1 limitent à 5 V la tension d’alimentation de cet étage.
Le module émetteur U3 ne nécessite aucun composant externe et la patte de contrôle de la fréquence (3) est laissée libre, de manière à obtenir la commutation automatique d’un canal à l’autre chaque demi-seconde.
Le signal de modulation, généré par le circuit intégré U2, est appliqué à la patte 2 du module HF dont elle constitue l’entrée de la modulation.
Ce modulateur utilise un encodeur MOTOROLA MC145026 avec horloge à 1,7 kHz. Le code produit peut être modifié à volonté en agissant sur les 9 micro-interrupteurs à 3 états de DS1, connectés entre les broches 1 et 10.
En pratique, ces micro-interrupteurs permettent de choisir le code parmi 19 683 combinaisons possibles. Au repos, le montage complet a une consommation dérisoire, grâce au CMOS : de l’ordre du microampère ! Cela implique que, avec la batterie que notre montage utilise, l’autonomie sera de plus d’un an.

Le récepteur
Occupons-nous maintenant de la partie réceptrice.
Comme le montre la figure 7, le schéma est très simple.
Outre le module RX, U2, à double fréquence, nous avons employé un microcontrôleur U1, un régulateur de tension U3 et quelques rares autres composants.
Le montage est alimenté en 12 V, tension qui n’alimente que le relais de sortie et qui est appliquée à l’entrée du régulateur U3. A la sortie de ce dernier se trouvent les 5 V stabilisés alimentant le module HF et le microcontrôleur.
L’une des premières choses que nous remarquons est l’absence d’un décodeur et de ses micro-interrupteurs associés. Cela tient au fait que le décodage du code reçu est effectué par une “routine” du microcontrôleur. Le code d’alarme est appris et retenu dans la mémoire de celui-ci, pendant la phase d’autoapprentissage.
Comme le montre l’organigramme du programme, en figure 12, quand on appuie sur le poussoir P1, la “routine” se met en action et la mémorisation commence. Pour cela, il faut activer l’émetteur, dûment modulé par le code choisi. En appuyant sur P1, ce code, prélevé sur la sortie CANAL 1, sera transféré dans l’EEPROM du microcontrôleur.
Les 2 sorties du récepteur, OUT 1 et OUT 2, sont connectées directement aux portes RB0 et RB1 du microcontrôleur.
C’est par elles que transitent les codes d’alarme et les autres éventuels signaux parasites produits par des émissions accidentellement reçues ou volontairement produites pour perturber le système à des fins scélérates (des fois je m’étonne moimême ! ndlr).
Voyons donc, en l’absence de ces perturbations, ce qui se passe quand, sur les 2 sorties du récepteur, se présentent les signaux d’alarme.
Regardons bien à nouveau la figure 12. Si aucun poussoir n’est pressé, la présence du code d’alarme sur la première sortie (le code reçu comparé à celui qui a été mémorisé), active le relais pour 10 secondes et allume la LED LD4. La LED LD1 s’allume aussi pour signaler que l’alarme a été reçue sur la première fréquence de travail. Après 10 secondes, LD4 s’éteint et le relais retourne au repos.
Par contre, LD1 reste allumée pour rappeler quel canal a reçu le code.
Si, au contraire, l’impulsion d’alarme est reçue sur le second canal, c’est LD2 qui reste allumée. Cependant, même dans ce cas, le relais est activé pour 10 secondes et LD4 s’allume.
Pour “reseter” les LED de signalisation en les éteignant, il suffit de presser P2.
Notre système d’alarme fonctionne donc sur 1 seul canal ou sur 2 canaux à la fois. Il suffit que le code se présente et la centrale se déclenche.
Cela constitue déjà, par rapport aux systèmes traditionnels, un indubitable avantage : le blocage d’un canal n’est pas suffisant pour mettre le système hors d’usage.
Mais, ceci dit, nous avons fait quelque chose de plus : nous avons prévu un dispositif vérifiant la présence d’éventuels trains d’impulsions parasites dus à des tentatives volontaires de saturation de la centrale et non à des émissions fortuites. Pour bien distinguer celles-ci et celles-là, nous avons utilisé des “routines” spéciales offrant le maximum de garanties dans un sens comme dans l’autre, c’est-à-dire pour ne pas interpréter comme tentative indélicate ce qui est purement accidentel mais pour déclencher l’alarme si l’on a à faire à une perturbation intentionnelle du système de sécurité. Dans ce dernier cas, le relais sera activé pour 10 secondes et LD3 s’allumera et restera allumée jusqu’à l’éventuelle remise à zéro.

Organigramme du programme de gestion MF380

Figure 12a : Le programme principal.


Figure 12b : Le programme de mémorisation des codes (autoapprentissage).

Figure 12 : Organigramme du programme de gestion MF380.

Nos montages pratiques
La réalisation pratique du TX et du RX ne présente aucune difficulté. Bien sûr, il faut d’abord préparer les deux circuits imprimés : les tracés des pistes de cuivre sont disponibles, à l’échelle 1, figure 6 pour le TX et figure 11 pour le RX.
Lorsque vous êtes en possession des circuits imprimés, vous devrez monter tous les composants en accordant beaucoup d’attention à l’insertion correcte des divers éléments : en particulier la valeur des résistances et le sens d’orientation des éléments polarisés (condensateurs électrolytiques, diodes signal ou LED, etc.). Les circuits intégrés seront montés sur supports et on se servira, gravés sur ceux-ci comme sur ceux-là, des repèredétrompeurs qui, sur nos schémas d’implantation des composants, prennent l’aspect d’une encoche en forme de “U”.
La remarque vaut aussi pour le module hybride récepteur. Quant au module hybride émetteur, aucun problème possible car on ne peut l’insérer que dans le bon sens, celui-là même dont les électroniciens sont prodigues et en particulier les lecteurs de la revue !
Comme antenne on se servira de deux morceaux de fil rigide d’une longueur de 17 cm environ, cela correspond à 1/4 (quart d’onde) quand on se souvient que λ (longueur d’onde en m) = 300/F (fréquence en MHz).
Bien entendu, et seulement si la législation de votre pays vous y autorise, vous pourrez utiliser des antennes beaucoup plus sophistiquées, telles des verticales à gain ou des beams à multiples éléments.

La mise en route
Les montages terminés, il ne reste plus qu’à vérifier le fonctionnement correct de l’ensemble TX/RX. Choisissez, au moyen de DS1, un code sur l’émetteur et activez une des entrées NO ou NF : LD1 doit s’allumer pour 5 secondes environ et, pendant cette période, l’émetteur doit émettre, sur les 2 fréquences, le code d’alarme.
Pour faire “auto-apprendre” ce code au récepteur, il suffit de presser, pendant la période d’émission du TX, le poussoir P1.
Désormais, le système est prêt à fonctionner. Vérifiez bien que, en cas d’alarme, le relais s’active comme il se doit pour 10 secondes et que l’une des LED s’allume. Ensuite, avec un émetteur portatif, approchez-vous du récepteur et essayez d’émettre pendant au moins 20 secondes : le récepteur mettra la centrale en alarme par l’activation du relais et LD3 s’allumera.

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