Brevet FR2949012A1 — publié le 20110211

DISPOSITIF ÉLECTRONIQUE PERMETTANT LA COMMANDE D'ÉQUIPEMENTS ÉLECTRIQUES PAR LE SON La présente invention se rapporte au domaine des équipements électriques et de la domotique. La présente invention concerne plus particulièrement un dispositif permettant de commander des équipements électriques à distance par la diffusion de signaux sonores. Actuellement pour mettre en oeuvre un système domotique il existe deux approches : - mettre en oeuvre l'installation lors de la réalisation de l'habitat, l'installation utilise alors des câbles et des équipements � fixes � non évolutifs et installés par un professionnel. Très peu de logements particuliers disposent d'une installation domotique fixe, même dans les logements neufs ou rénovés il est très rare de prévoir une installation domotique. De nombreuses raisons expliquent cela : surcoût, obsolescence des équipements, fiabilité... ; - mettre en oeuvre sur une installation existante des équipements domotiques (souvent amovibles). Notre invention s'intéresse à cette deuxième situation en proposant un dispositif qui peut s'installer comme n'importe quel équipement électrique. Un tel dispositif ne peut impliquer un câblage ou des modifications sur l'installation électrique existante, elle doit donc s'intégrer le plus facilement possible dans un habitat traditionnel en utilisant un protocole de communication sans fil. 30 Plusieurs normes, projets et systèmes ont été imaginés dans ce but, mais les technologies retenues ont toutes leurs limites : - le courant porteur n'est pas compatible avec le triphasé. Il a une portée qui dépend de l'installation électrique et est très 35 perturbé par les boîtiers CPL, par les alimentations à découpage ou par les lampes basses consommation. Il a donc en25 réalité une portée relativement faible (pièces � voisines � immédiates) ou ne fonctionne tout simplement pas si le conflit avec les autres équipements � courant porteur � est trop fort ; - la radio fréquence a une portée réduite compte tenu des puissances autorisées et est sujette aux parasites notamment avec le Wifi et les lampes basse consommation, en environnement urbain, un simple mur porteur sur le chemin direct rend la communication difficile sur des protocoles évolués (WIFI, DECT). Les protocoles domotiques plus simples permettent d'offrir des produits moins onéreux, mais sont encore plus affectés ; - l'infrarouge ne fonctionne qu'en proximité directe. Les systèmes les plus aboutis combinent ces différentes technologies afin de limiter l'inconvénient de chaque approche sans toutefois totalement régler les problèmes. De plus, ces équipements nécessitent généralement une interface spécifique dont le coût s'ajoute à celui des boîtiers. Par ailleurs, cette interface est généralement uniquement disponible pour les ordinateurs (branchement USB) et non pour d'autres équipements tels que les téléphones portables, les baladeurs... Les dessins annexés illustrent l'invention : - la figure 1 représente le dispositif et son environnement ; - la figure 2 illustre des utilisations possibles du dispositif ; - la figure 3 expose le principe de la convolution ; - la figure 4 représente la distribution de probabilité du signal après convolution dans un environnement totalement bruité ; - la figure 5 indique les états possibles et les signaux de commandes reconnus. En référence à ces figures, l'invention est un dispositif électronique (1) permettant la commande d'un ou plusieurs équipements électriques (13,15) à partir de la détection de signaux sonores, comprenant une carte électronique à microcontrôleur ou réseau logique programmable ou des composants actifs équivalents, un micro audio (2), un raccordement au réseau électrique (10), une alimentation régulée (16), un raccordement aux équipements commandés à travers un composant de commande de type relais, triacs, thyristors ou équivalent (12,14). le signal audio du micro (2) est amplifié et numérisé, les signatures (4) des signaux sonores de commande (6) sont enregistrées en mémoire non volatile, au moins 2 signaux sonores de commande (6) sont définis pour chaque commande (12,14), l'un pour son allumage et l'autre pour son extinction, les signaux sonores de commande (6) et les signatures (4) sont couplés (11) de sorte qu'une signature caractérise le signal de commande, la détection (3) des signaux de commande (6) étant réalisée par comparaison du signal audio numérisé (8) avec les signatures (4) attendues de sorte que le dépassement d'un seuil (17) conduise à la détection et à la commande (12,14) permettant l'allumage, l'extinction ou la variation du ou des équipements électriques commandés (13,15). Les signaux sonores de commande (6) peuvent être mis à disposition sous forme de fichiers informatiques (9) enregistrés sur un support amovible dans les formats MP3, WAV, AIFF ou équivalent. Ils peuvent également être téléchargeables par internet à partir d'une référence unique indiquée avec le récepteur (1). Les signatures peuvent être prédéfinies lors de la fabrication ou : - enregistrées dans le dispositif grâce à des boutons permettant de déclencher l'enregistrement des signaux sonores de commande par le micro (2) et d'en déduire la signature (4) ; - définies par un groupe d'interrupteurs permettant de sélectionner la famille de signatures sonores (4) de commande auxquels va réagir ce boîtier. Un indicateur visuel peut indiquer l'état du dispositif à savoir la position (allumé ou éteint) des équipements commandés (12,14) ainsi que le bon fonctionnement du récepteur (1). Un haut-parleur peut être ajouté au récepteur (1) pour émettre des signaux sonores pour d'autres dispositifs récepteurs ou des 35 équipements multimédias. Un système de contrôle automatique du gain du micro (2) peut être prévu pour s'adapter au niveau sonore ambiant. Tous les éléments du récepteur (1) peuvent être intégrés dans un boîtier comportant une prise électrique mâle pour le raccordement au réseau électrique et une ou plusieurs prises électriques femelles pour raccorder un ou plusieurs équipements commandés. Le dispositif peut utiliser pour la détection, la convolution sous sa forme directe ou optimisée FFT. Le principe de l'invention consiste donc à utiliser le son (onde sonore) afin de transmettre les ordres vers les dispositifs : - les composants pour recevoir (2), émettre (7) et traiter (8,3,4,17) le signal sont bon marché et courants ; - aucune réglementation ne limite l'utilisation du média contrairement aux ondes radios ou au courant porteur (hormis un volume maximum pour ne pas endommager l'audition, très au-dessus de notre besoin) ; - aucun impact sanitaire n'est à craindre (contrairement aux rayonnements électromagnétiques) ; - les équipements actuels informatiques, téléphoniques, multimédias, ... (20,21,22,23,24) permettent de recevoir ou d'émettre un signal audio, l'interface avec ces équipements ne nécessite donc aucun périphérique ni branchement spécifique. Le récepteur (1) permet la commande d'équipements électriques 25 (25,26) lors de la diffusion de signaux sonores spécifiques (6). Tout appareil pouvant générer du son (20,21,22,23,24) peut commander les récepteurs (1). Ainsi sans autre équipement spécifique que le récepteur (1), il est possible de déclencher l'allumage ou l'extinction d'équipements électriques : 30 - en lisant un MP3 de commande depuis son ordinateur (20), son baladeur (22) ou son téléphone (21,23) placé dans la pièce ou une pièce voisine, ce morceau pouvant par exemple éteindre la lumière à la fin d'une liste de lecture ; - à distance en téléphonant à son portable (21) dans la pièce avec une sonnerie MP3 de commande ou en appelant son répondeur et en diffusant le signal audio de commande depuis son baladeur ; - avec la télécommande de sa chaine hifi (24) en déclenchant la lecture d'un morceau de commande (enregistré en MP3 ou sur CD audio...) ; - à heure définie en utilisant un réveil (24) qui diffuse un morceau de commande pour allumer la lumière par exemple ; - avec un logiciel spécifique installé sur un ordinateur (20) ou son téléphone portable (21). Le récepteur peut également: - permettre la variation d'un luminaire (26) en offrant une commande en Marche/Arrêt ou en niveau (par exemple de 1 à 10) ; - faire office de prise � multiple � commandée permettant de commander séparément plusieurs équipements (13,15) ; - s'intégrer dans un module prévu pour l'installation électrique comme un composant de tableau ou un interrupteur. La communication est à sens unique Emetteur (5) -. Récepteur (1) . - l'émetteur(5) diffuse par son haut-parleur (7) le signal audio de commande (6) associé à l'ordre à envoyer ; - le récepteur (1) écoute en permanence les signaux audios grâce à son micro (2) et quand il détecte (3) un signal de commande correspondant à la signature (4) il commande (12,14) l'alimentation électrique des équipements (13,15). Avec cette solution tout équipement capable de générer un signal sonore : lecteur MP3, téléphone, télévision, chaîne hifi... (20,21,22,23,24) peut devenir émetteur (5). Les ordres reconnus par le récepteur sont (Figure 5) . - allumage de l'équipement ; - extinction de l'équipement ; - éventuellement un niveau de puissance pour l'équipement (par exemple par pas de 20 %). Pour chaque ordre un signal de commande doit être utilisé. 6 La détection (3) étant fiable (cf. détection des ordres ci-après), l'émetteur (5) peut considérer que le récepteur (1) a reçu et compris l'ordre émis. Un mécanisme d'� accusé réception � est envisageable en couplant 5 un émetteur au récepteur afin de confirmer l'ordre reçu par la lecture d'un fichier audio spécifique. Le signal de commande (11) correspond au signal sonore spécifique de la commande considérée. Ce signal de commande est constitué du signal audio (6) et de la signature qui permet de le détecter (4). 10 Les signaux de commande doivent être partagés entre l'émetteur (5) et le récepteur (1) . - l'émetteur (5) doit être capable de diffuser le signal sonore, il doit donc disposer du signal sonore sous une forme � lisible � (6). Pour cela, le signal sonore est stocké dans un 15 fichier (9) et est communiqué à l'émetteur (5), par exemple par une carte mémoire pour un baladeur (22), en gravant un CD audio pour une chaîne hifi (24), en transférant le fichier par un réseau local pour un ordinateur (20), ... - le récepteur (1) doit disposer d'une � signature � (4) qui 20 permet de reconnaître le signal sonore correspondant. Pour partager le couple signature (4) - fichier audio (6) entre l'émetteur et le récepteur, trois possibilités existent, un même récepteur peut combiner ces trois solutions ou n'en mettre en oeuvre qu'une pour en diminuer son coût : 25 - Le récepteur (1) est préconfiguré lors de la fabrication, chaque récepteur (1) dispose d'un ensemble de signaux sonores uniques (un signal pour chaque commande) dont les signatures (4) sont déjà enregistrées. Les signaux correspondants sont mis à disposition du récepteur soit directement par un CD, une clé 30 USB... fournis avec le récepteur soit par téléchargement sur internet avec la référence du boitier récepteur. - Le récepteur (1) est préconfiguré avec un large ensemble de signaux de commande, l'utilisateur choisit par un groupe d'interrupteurs les signaux qu'il souhaite utiliser. Cette 35 solution est identique à la première option sur le principe, mais permet d'avoir tous les récepteurs identiques lors de leur fabrication et de commander plusieurs récepteurs (1) avec le même signal de commande (6). - Le récepteur (1) peut apprendre à reconnaître un signal de commande, pour cela l'utilisateur doit diffuser le signal (6) et presser le bouton correspondant à l'enregistrement de la commande. Dans ce cas la signature (4) correspond à l'enregistrement effectué par le récepteur (1) du signal audio de commande (6). Pour les récepteurs (1) préconfigurés, le signal de commande (11) est généré et non choisi par l'utilisateur. Pour cela nous pouvons utiliser n'importe quel signal audio. Nous avons utilisé un signal pseudo aléatoire. Ce type de signal par nature non corrélé assure une capacité de détection maximale. Dans ce cas, seuls les paramètres de la génération du signal doivent être transférés dans les équipements récepteurs pour disposer de la signature (4), ce qui réduit l'espace mémoire pour stocker le signal. Le signal audio est capté par le micro (2), puis numérisé (8) avant d'alimenter le détecteur (3). Étant donné que la plage de dynamique de l'environnement sonore dans lequel nous vivons est supérieure à la résolution du convertisseur (8) et que nous recherchons à détecter un signal qui est potentiellement fortement noyé dans le bruit, il est intéressant d'ajuster dynamiquement le gain de l'amplification du micro pour optimiser la résolution de la numérisation. Cette amplification peut être globale ou effectuée par bande de fréquences (compression multibande). Afin de reconnaître � l'ordre � sonore, nous utilisons une détection par � convolution �. Cette technique consiste à rechercher la corrélation entre un signal de commande et le signal reçu. La sensibilité et la fiabilité de la détection peuvent être augmentées sans limite en allongeant la durée du signal de commande. Ainsi contrairement à d'autres types de détection la convolution est très efficace sur un signal de commande long, dans notre utilisation une fraction de seconde à plusieurs secondes. Cela permet d'avoir une détection de qualité même si le signal est fortement altéré. La figure 3 indique les formules de la convolution C(t) transposées dans un domaine fini. En pratique, le système effectue de manière permanente la convolution (3) entre les signatures (4) attendues et le signal audio numérisé (8) reçu par le micro (2). Dès que la fonction de convolution dépasse un seuil défini (17), l'ordre associé à la signature est détecté. Le seuil (17) est défini statistiquement en fonction de la probabilité de faux positif que l'on accepte. La convolution directe est une opération gourmande en temps de 10 calcul, pour traiter n échantillons la complexité s'exprime en n2. Nous avons mis en oeuvre plusieurs optimisations pour utiliser des microcontrôleurs ou des réseaux logiques programmables de faible coût : - la convolution est réalisée dans l'espace des fréquences en 15 utilisant la FFT (transformée de Fourier rapide), dans ce cas la complexité est exprimée en n.ln(n). Pour un signal référent de 20 000 échantillons le gain en temps de calcul de la FFT sur le calcul direct peut être d'un facteur 10 000 ; - la signature (4) est directement exprimée dans le domaine 20 fréquentiel ce qui optimise également le travail de détection ; - en fonction de l'état du récepteur (1) il est possible de limiter le nombre de signaux de commande à détecter. La figure 5 indique les signaux attendus en fonction de l'état du récepteur. Ainsi, pour une commande Marche/Arrêt seul un signal 25 de commande doit être détecté : Marche si éteint et Arrêt si allumé. Pour un fonctionnement en variateur deux signaux de commandes doivent être détectés (signal C +20% et signal D -20%). Nous avons confirmé la capacité de détection du signal de 30 commande sur 10000 mesures (signal et signature bruit blanc, quantification sur 16 bits, calcul réalisé sur 22 050 échantillons soit un référent de 1 seconde avec un échantillonnage à 22 kHz), la figure 4 correspond à la distribution du signal en sortie du détecteur. 35 À partir de ces éléments, nous déterminons par exemple un seuil 9 (17) de 4,68% (exprimé en % de l'autocorrélation) pour une fiabilité de détection admettant un faux positif par an pour un environnement totalement bruyant (100% de bruit blanc). Cela permet d'obtenir une capacité de détection de 13 dB ou une portée de 32 m pour un signal de même intensité que le bruit ambiant. Ce résultat déjà très bon, peut être décuplé en utilisant un signal plus long par exemple 10s échantillonné à 44,1 kHz. Nous montrons ainsi que l'invention répond bien en terme de portée et de fiabilité de transmission. Le dispositif offre donc une possibilité de commande fiable de tout équipement électrique par la diffusion d'un signal sonore depuis tout équipement multimédia. REVENDICATIONS1 Dispositif électronique (1) permettant la commande d'un ou plusieurs équipements électriques (13,15) à partir de la détection de signaux sonores, comprenant une carte électronique à microcontrôleur ou réseau logique programmable ou des composants actifs équivalents, un micro audio (2), un raccordement au réseau électrique (10), une alimentation régulée (16), un raccordement aux équipements commandés à travers un composant de commande de type relais, triacs, thyristors ou équivalent (12,14) caractérisé en ce que : - le signal audio du micro (2) est amplifié et numérisé, - les signatures (4) des signaux sonores de commande (6) sont enregistrées en mémoire non volatile, au moins 2 signaux sonores de commande (6) sont définis pour chaque commande (12,14), l'un pour son allumage et l'autre pour son extinction, les signaux sonores de commande (6) et les signatures (4) sont couplés (11) de sorte qu'une signature caractérise le signal de commande, - la détection (3) des signaux de commande (6) étant réalisée par comparaison du signal audio numérisé (8) avec les signatures (4) attendues de sorte que le dépassement d'un seuil (17) conduise à la détection et à la commande (12,14) permettant l'allumage, l'extinction ou la variation du ou des équipements électriques commandés (13,15). 2 Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux sonores de commande (6) sont mis à disposition sous forme de fichiers informatiques (9) enregistrés sur un support amovible dans les formats MP3, WAV, AIFF ou équivalent. 3 Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que les signaux sonores de commande (6) sont téléchargeables par internet à partir d'une référence unique.Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce que des boutons permettent de déclencher l'enregistrement des signaux sonores de commande par le micro (2) et d'en déduire la signature (4). Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, un groupe d'interrupteurs permettant de sélectionner la famille de signatures (4). Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, un indicateur visuel indiquant son état. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, un haut-parleur pour émettre des signaux sonores pour d'autres dispositifs ou des équipements multimédias. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comporte, un système de contrôle automatique du gain du micro (2) afin de s'adapter au niveau sonore ambiant. Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il est intégré dans un boîtier comportant une prise électrique mâle pour le raccordement au réseau électrique et 20 une ou plusieurs prises électriques femelles pour raccorder un ou plusieurs équipements commandés. 10 Dispositif électronique selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'on utilise pour la détection, la convolution sous sa forme directe ou optimisée FFT. 4 5 6 7 8 9 25