Brevet FR2962244A1 — publié le 20120106

La présente invention concerne un dispositif de détection de l'ouverture ou de l'effraction de boîtes métalliques présentant un mode de résonance lorsqu'elles sont excitées. La boîte contient éventuellement un objet. L'invention sera plus décrite dans le cadre de boîtes métalliques renfermant un objet, précieux ou non, à protéger. Elle sera notamment décrite dans le cadre de boîtes métalliques renfermant des bobines de film. Les bobines de film sont généralement stockées individuellement dans des boîtes métalliques cylindriques, ces boîtes étant elles-mêmes entreposées dans des réserves généralement sécurisées. Ces films représentent une valeur financière considérable et font régulièrement l'objet de vols, et cela malgré les précautions mises en place pour restreindre l'accès aux réserves sécurisées. Ces vols causent un préjudice financier à leurs propriétaires mais également un préjudice en termes de patrimoine à la communauté toute entière. Dans la majorité des cas de vol, seules les bobines de film disparaissent, les boîtes métalliques étant laissées sur place. Le vol n'est alors constaté qu'au moment de l'ouverture de la boîte métallique. Un but de l'invention est de proposer un dispositif apte à détecter l'ouverture ou l'effraction d'une boîte métallique et à déclencher une alerte lorsqu'un tel événement est détecté. A cet effet, la présente invention propose un dispositif de détection de l'ouverture d'une boîte métallique fermée par un couvercle et apte à entrer en résonance, caractérisé en ce qu'il comprend: - un circuit oscillateur apte à être couplé à ladite boîte métallique pour former, avec ladite boîte métallique, un oscillateur à cavité résonante délivrant un signal résonant sur une sortie du circuit oscillateur, le signal résonant ayant, lorsque la boîte métallique est 2 fermée par le couvercle, une fréquence dite de résonance comprise dans un intervalle de fréquences prédéterminé et un niveau de puissance à la fréquence de résonance supérieur à une valeur seuil prédéterminée, et - un circuit de détection, connecté à la sortie dudit circuit oscillateur, apte à déclencher une alerte lorsque la fréquence de résonance du signal résonant est en dehors dudit intervalle de fréquences prédéterminé et/ou lorsque le niveau de puissance du signal résonant à la fréquence de résonance est inférieur ou égal à ladite valeur seuil prédéterminée. La boîte métallique constitue ici une cavité résonante apte à résonner lorsqu'elle est excitée. Selon l'invention, on associe donc à cette cavité un circuit oscillateur dit "libre" pour l'exciter de manière à former un oscillateur stabilisé apte à osciller à une des fréquences de résonance de la boîte métallique. Bien entendu, lorsqu'elle contient un objet, la boîte métallique résonne à une fréquence différente de fréquence de résonance à vide. On définit donc un intervalle de fréquences pour prendre cette variation possible de la fréquence de résonance due à la présence d'un contenu dans la boîte métallique et d'une légère déformation de la boîte. Ainsi, lorsque la boîte métallique est fermée, l'oscillateur stabilisé résonne à une fréquence de résonance comprise dans un intervalle de fréquences prédéfini avec une puissance supérieure à une valeur seuil prédéfinie. Lorsque le signal résonant est en dehors de cet intervalle ou que sa puissance est en dessous de la valeur seuil prédéfinie, le circuit de détection déclenche une alerte. L'invention concerne toute boîte métallique munie d'un couvercle et apte à entrer en résonance lorsqu'elle est excitée par un oscillateur libre. Des ouvertures peuvent être ménagées dans les parois de la 3 boîte à condition que la boîte présente au moins un mode de résonance, lequel sera exploité par l'invention. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit de détection comprend: - un filtre passe-bande connecté à la sortie de du circuit oscillateur et dont la bande passante correspond audit intervalle de fréquences prédéterminé, et - un détecteur de puissance connecté à la sortie du filtre passe-bande et apte à déclencher l'alerte lorsque les signaux en sortie du filtre passe-bande ont un niveau de puissance inférieur ou égal à la valeur seuil prédéterminée. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit oscillateur comprend une sonde pour coupler le circuit oscillateur à la boîte métallique, laquelle sonde est disposée sur une paroi intérieure de la boîte métallique. Le circuit oscillateur et le circuit de détection sont réalisés sur une première carte de circuit connectée à la sonde et sont disposés à l'intérieur de la boîte métallique, de préférence sur une paroi intérieure de la boîte métallique. Avantageusement, le circuit de détection comprend en outre un circuit de transmission sans fil pour émettre le signal d'alerte vers un serveur distant. Selon un mode de réalisation particulier, le circuit de transmission sans fil est réalisé sur une deuxième carte de circuit raccordée à une antenne via une liaison filaire, ladite deuxième carte de circuit et l'antenne étant disposées respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de la boîte métallique, une ouverture étanche à l'air étant ménagée dans une paroi de la boîte métallique pour le passage de la liaison filaire. Selon un mode de réalisation préféré, lesdites première et deuxième cartes de circuit forment une seule 4 carte électronique pour réduire l'encombrement du dispositif. L 'invention concerne également une boîte métallique équipée d'un dispositif de détection tel que 5 défini précédemment. L 'invention concerne aussi un système de surveillance de boîtes métalliques dans lequel les boîtes métalliques sont équipées d'un dispositif de détection doté d'un circuit de transmission sans fil et dans lequel 10 le circuit de transmission sans fil des boîtes métalliques communique avec un serveur central. Selon un mode de réalisation particulier, les boîtes métalliques et le serveur central communiquent selon le protocole ZigBee. 15 L 'invention sera mieux comprise, et d'autres buts, détails, caractéristiques et avantages apparaîtront plus clairement au cours de la description explicative détaillée qui va suivre, en se référant ci-dessous aux 20 dessins annexés, lesquels représentent: - les figures 1A et 1B, des vues montrant respectivement une boîte métallique fermée et une boîte métallique en cours d'ouverture; - la figure 2, un schéma illustrant les 25 fréquences de résonance d'une boîte métallique cylindrique fermée de rayon 190 mm et de hauteur 40 mm; - la figure 3, un schéma électrique d'un dispositif conforme à l'invention, - la figure 4, un schéma illustrant la bande 30 passante du filtre passe-bande du dispositif de la figure 3; - la figure 5, un schéma d'un détecteur de puissance du dispositif de l'invention illustré à la figure 3 ; 35 - les figures 6 et 7, des schémas illustrant respectivement un changement de fréquence de résonance et un changement de niveau de puissance lors de l'ouverture de la boîte métallique; - la figure 8, un schéma illustrant un système de surveillance des boîtes métalliques équipées chacune 5 d'un dispositif de détection conforme à l'invention; et - la figure 9, un chronogramme illustrant la transmission de signaux d'alerte. Dans la présente description, on considère une 10 boîte métallique cylindrique fermée par un couvercle et renfermant une bobine de film ou pellicule. En référence aux figures 1A et 1B, la boîte métallique présente deux états: un état fermé (figure 1A) dans lequel la boîte est fermée par le couvercle et un 15 état ouvert dans lequel le couvercle est au moins partiellement soulevé (figure 1B). A l'état fermé, la boîte étant complètement métallique, celle-ci peut être considérée comme une cavité hyperfréquence résonante. Lorsque cette cavité est 20 excitée, elle est le siège de plusieurs modes de résonance, des modes dits transverses électriques et des modes transverses magnétiques, respectivement TEnmi et TMnml, où à chacun des modes et des indices (n,m,l) correspond une fréquence de résonance donnée. 25 La figure 2 illustre les fréquences de résonance mesurées pour une boîte métallique de film cylindrique vide de rayon 190 mm et de hauteur 40 mm, excitée par une sonde coaxiale insérée à sa base (face opposée au couvercle) à une distance de 119mm du centre. 30 Cette boîte présente une pluralité de modes de résonance, avec un mode dominant situé autour de 2.5GHz. Les modes de résonances TE/TM n'apparaissent que si la sonde arrive à les exciter. On considère qu'un mode est excité avec une résonance quasi maximale si le niveau de puissance 35 renvoyée vers la sonde est au plus bas. En référence à la figure 2, on mesure l'énergie réfléchie vers la sonde, 6 c'est-à-dire le coefficient de réflexion, appelé classiquement S11. A la fréquence de résonance, l'énergie est stockée dans la cavité. Il y a donc peu d'énergie réfléchie vers la sonde et le coefficient S11 est très inférieur à 0 dB. La présence d'un matériau diélectrique tel qu'une bobine de film dans la boîte métallique modifie les conditions de résonance de la cavité. En particulier, les fréquences de résonance sont décalées vers les basses fréquences par rapport à la cavité vide. La boîte métallique et la bobine de film peuvent alors être considérées comme constituant un résonateur à cavité métallique chargé d'un matériau diélectrique. Lorsque ce résonateur chargé est couplé à un oscillateur libre, il forme alors un oscillateur stabilisé comme lorsque la cavité est vide mais avec une fréquence de résonance différente. Comme pour une cavité vide, les conditions de résonance de la cavité métallique chargée du matériau diélectrique changent lorsque la boîte est ouverte ou endommagée. Selon l'invention, on propose de détecter toute ouverture et/ou tentative d'effraction de la boîte en détectant ce changement de résonance. Pour ce faire, un circuit oscillateur dit "libre" est couplé au résonateur formé de la boîte métallique et de l'objet diélectrique disposé à l'intérieur de cette boîte de manière à réaliser un oscillateur à fréquence stabilisée reprenant le principe d'un oscillateur à résonateur diélectrique ou DRO (pour Dielectric Resonator oscillator en langue anglaise). La fonction de cet oscillateur est de générer un signal résonant représentatif de l'état (ouvert ou fermé) de la boîte. A l'état fermé, l'oscillateur génère un signal qui oscille à une fréquence, dite de résonance, le niveau de puissance du signal à cette fréquence étant supérieur à une valeur seuil. 7 Dès que la boîte métallique est ouverte ou endommagée, la fréquence de résonance du signal oscillant et/ou le niveau de puissance du signal à cette fréquence changent. Selon l'invention, on équipe la boîte métallique de moyens pour détecter ce changement de fréquence et/ou de niveau de puissance. La figure 3 montre le schéma d'un dispositif de détection conforme à l'invention. Il comprend un oscillateur à cavité résonante 1 formé d'un circuit oscillateur 11 couplé, à l'aide d'une sonde 13, à la cavité résonante chargée d'un matériau diélectrique 12 constitué par la boîte métallique contenant la bobine de film. Le circuit oscillateur 11 comprend basiquement un élément actif 110 auquel sont associés des éléments de couplage 111 et 112, un élément réactif 113, un élément d'adaptation 114 et un élément de charge 115. Tous ces éléments coopèrent pour générer au moins un signal oscillant ou résonant. L'élément actif 110 est par exemple un transistor à effet de champ. La structure et le fonctionnement d'un tel circuit oscillateur sont bien connus de l'homme du métier dans le cadre d'un oscillateur à résonateur diélectrique et sont décrits dans le document « Dielectric resonators », 1986, Artech House, de D Kajfez, P. Guillon, On parle d'oscillateur "libre" pour l'élément 11 car, en l'absence de couplage à un résonateur, la fréquence d'oscillation n'est pas figée. Les fréquences d'oscillation (ou fréquences résonantes) sont fixées par le résonateur qui agit alors comme un stabilisateur d'oscillation. Dans la suite de la description, on emploiera indifféremment les termes "oscillateur stabilisé" et "oscillateur à cavité métallique" pour désigner l'oscillateur 1. Dans le cadre de l'invention, les différents composants du circuit oscillateur 11 sont choisis pour 8 osciller dans la bande de fréquence dans laquelle la cavité métallique 12 est susceptible de résonner. On va notamment chercher à exciter un mode de résonance de la boîte de métallique ayant une fréquence qui soit relativement isolée des fréquences des autres modes de résonance. On sélectionnera aussi de préférence un mode de résonance facilement excitable et ayant des caractéristiques électromagnétiques sensibles à toute modification de la hauteur de la cavité et en particulier à la modification de hauteur induite par un début d'ouverture de la boîte. La détection d'un changement de fréquence et/ou de niveau de puissance du signal résonant issu de l'oscillateur stabilisé 1 est réalisée par un filtre passe-bande 2 connecté à la sortie du circuit oscillateur 11 et par un détecteur de puissance 3 connecté à la sortie du filtre. Le filtre passe-bande 2 a pour rôle de laisser passer les signaux dont la fréquence est incluse dans une bande de fréquences (ou intervalle de fréquences) autour de la fréquence du mode de résonance sélectionné. En effet, la fréquence de résonance du mode sélectionné dépend de la longueur de la bobine de film et l'état de déformation de la boîte (le couvercle peut être déformé en raison de sa faible épaisseur). La bande passante du filtre est donc déterminée pour contenir toutes les fréquences de résonance possibles du mode de résonance. La figure 4 illustre ce décalage possible de la fréquence de résonance d'un mode de résonance sélectionné. La fréquence F représente la fréquence de résonance lorsque la bobine de film comprend une longueur L moyenne de film et que la boîte n'est pas déformée. Cette fréquence varie entre F1 et F2 suivant l'état déformé ou pas de la boîte et la longueur de film de la bobine. La bande passante du filtre passe-bande est avantageusement prise égale à [F1,F2]. Le filtre 2 9 rejette toutes les fréquences d'oscillation parasites en dehors de cet intervalle. Le détecteur de puissance a pour rôle de déclencher une alerte lorsque le niveau de puissance du signal reçu est en dessous d'un seuil de puissance prédéterminé, seuil dit d'alerte. Le seuil est déterminé en prenant en compte les tolérances des caractéristiques des boîtes. Le seuil est par exemple égal à -10dB par rapport à la puissance nominale d'oscillation. Un exemple de détecteur de puissance 3 est illustré à la figure 5. Il comprend essentiellement, entre une entrée 30 et une sortie 31, une diode Schottky 32 dont le rôle est de redresser le signal présent à l'entrée du détecteur, une self de choc 33 connectée entre l'entrée 30 et la masse pour la mise à la masse du signal DC détecté et un filtre RC parallèle en sortie constitué d'un condensateur 34 et d'une résistance 35 connectés à la masse, et aux bornes duquel est prélevée une tension dont l'amplitude est proportionnelle à la puissance RF de l'entrée. Ainsi, selon l'invention, on effectue en quelque sorte un double filtrage, à savoir un filtrage de fréquences par le filtre passe-bande 2 et un filtrage de puissance par le détecteur de puissance 3. Avec ce dispositif, toute tentative d'ouverture de la boîte est aussitôt détectée. En effet, dès qu'il y a un début d'ouverture de la boîte, les caractéristiques électromagnétiques de la boîte changent fortement. La fréquence de résonance de l'oscillateur stabilisé commence à sortir de la bande passante du filtre passe-bande 2 et/ou le niveau de puissance commence à baisser jusqu'à descendre en dessous du seuil d'alerte. Ces deux cas sont illustrés par les figures 6 et 7. Dans la figure 6, le niveau de puissance du signal oscillant passe en dessous du seuil d'alerte à l'ouverture de la boîte. Dans la figure 7, la fréquence 10 de résonance du signal résonant sort de la bande passante du filtre à l'ouverture de la boîte. Ces deux cas déclenchent une alerte. Une fois l'alerte détectée, elle est avantageusement transmise vers un serveur central via un signal de surveillance. A cet effet, le dispositif de détection de l'invention est équipé d'un émetteur sans fil 4 pour transmettre le signal de surveillance vers un serveur central 5 comme illustré à la figure 8. Le signal de surveillance est un signal logique représentant l'état ouvert ou fermé de la boîte. Dans le cas de la surveillance d'une pluralité de boîtes comme illustré à la figure 8, chaque boîte est équipée du dispositif de détection de l'invention et transmet un signal de surveillance vers le serveur central 5. Selon un mode de réalisation particulier, l'émetteur sans fil 4 et le serveur central 5 communiquent selon le protocole ZigBee. La norme ZigBee est spécialement conçue pour adresser les applications de contrôle et de surveillance sans fil, à bas débit, à très basse consommation et à très bas coût. Cette technologie permet de gérer un réseau comprenant plus de 65 000 noeuds (65000 émetteurs). La norme permet également d'envisager plusieurs topologies de réseau : en étoile, en arbre ou maillé. Selon l'invention, le réseau d'émetteurs est de préférence disposé en étoile: chaque émetteur sans fil 4 associé à une boîte de film transmet son état (dans le signal de surveillance) directement et uniquement au serveur central 5. Comme indiqué précédemment, ZigBee est spécialement conçu pour les applications très basse consommation. Ce protocole est donc particulièrement intéressant dans le cas présent car les dispositifs de détection sont alimentés par des batteries. Selon l'invention, l'émetteur sans fil travaille de préférence dans un mode sans balise (nonbeacon en langue anglaise). Dans ce mode, les émetteurs sans fil ont des fonctionnalités très réduites et «dorment» quasiment en permanence. Ils ne se réveillent que de manière périodique (ou aléatoire selon l'application) pour communiquer leur état au serveur central. Ils ne se réveillent que toutes les P secondes pendant une durée d, avec d «P comme illustré à la figure 9. Le serveur central 5, qui est alimenté par le réseau électrique classique, est en veille permanente, à l'écoute des informations transmises par les émetteurs. La période P, qui est la période de vérification de l'état de chaque boîte ainsi que la période de transmission de cet état au serveur, est définie en fonction du temps qu'on se donne pour déclencher l'alerte après une tentative de vol, c'est-à-dire après l'ouverture de la boîte. Il est clair que plus la période P est élevée, plus longtemps durera la batterie des émetteurs. Il n'est pas nécessaire que l'alerte soit donnée dans la seconde qui suit le vol, mais par exemple quelques dizaines de secondes après le vol, ce qui va permettre d'augmenter la période P ainsi que la durée des batteries. Un compromis est à trouver entre le niveau de sécurité recherché et la durée des batteries souhaitée. Le dispositif de l'invention ne comporte qu'un composant actif qui est le transistor 110. Le courant consommé peut être réduit au minimum, par exemple à 2- 3mA, tout en assurant un fonctionnement performant de l'oscillateur stabilisé 1. Par ailleurs, l'oscillateur stabilisé et l'émetteur sans fil ne sont avantageusement alimentés que toutes les P secondes de manière à réduire au maximum la consommation du dispositif. 12 D'autre part, les composants de l'oscillateur stabilisé 1, du filtre passe-bande 2 et du détecteur de puissance 3 sont réalisés sur une première carte de circuit connectée à la sonde et sont disposés à l'intérieur de la boîte métallique, de préférence sur une paroi intérieure de la boîte métallique. La sonde 13 employée pour coupler le circuit oscillateur 11 à la boîte métallique est aussi disposée sur la paroi intérieure de la boîte métallique. L'émetteur sans fil 4 est réalisé sur une deuxième carte de circuit raccordée à une antenne via une liaison filaire. L'antenne est disposée à l'extérieur de la boîte métallique. Avantageusement, la deuxième carte est disposée à l'intérieur de la boîte métallique et une ouverture étanche à l'air est ménagée dans une paroi de la boîte métallique pour le passage de la liaison filaire. Les deux cartes sont de préférence une seule et même carte électronique. La carte électronique est par exemple collée ou rivetée au fond de la boîte ou sur la paroi verticale de celle-ci ou sur le couvercle de celle-ci. Comme indiqué précédemment, l'invention a été décrite dans le cadre de boîtes métalliques renfermant des bobines de film. Elle est toutefois applicable à tout type de boîte métallique présentant un mode de résonance lorsqu'elle est excitée et dont on cherche à détecter l'ouverture. Cette boîte peut ou non contenir un objet. Bien que l'invention ait été décrite en liaison avec un mode de réalisation particulier, il est bien évident qu'elle n'y est nullement limitée et qu'elle comprend tous les équivalents techniques des moyens décrits ainsi que leurs combinaisons si celles-ci entrent dans le cadre de l'invention. REVENDICATIONS1. Dispositif de détection de l'ouverture d'une boîte métallique (12) fermée par un couvercle et apte à entrer en résonance, caractérisé en ce qu'il comprend: - un circuit oscillateur (11) apte à être couplé à ladite boîte métallique pour former, avec ladite boîte métallique, un oscillateur à cavité résonante (1) délivrant un signal résonant sur une sortie du circuit oscillateur, le signal résonant ayant, lorsque la boîte métallique est fermée par le couvercle, une fréquence dite de résonance comprise dans un intervalle de fréquences prédéterminé et un niveau de puissance à la fréquence de résonance supérieur à une valeur seuil prédéterminée, et - un circuit de détection (2, 3), connecté à la sortie dudit circuit oscillateur, apte à déclencher une alerte lorsque la fréquence de résonance du signal résonant est en dehors dudit intervalle de fréquences prédéterminé et/ou lorsque le niveau de puissance du signal résonant à la fréquence de résonance est inférieur ou égal à ladite valeur seuil prédéterminée. 2. Dispositif selon la revendication 1, dans 25 lequel le circuit de détection comprend: un filtre passe-bande (2) connecté à la sortie du circuit oscillateur et dont la bande passante correspond audit intervalle de fréquences prédéterminé, et 30 - un détecteur de puissance (3) connecté à la sortie du filtre passe-bande et apte à déclencher l'alerte lorsque les signaux en sortie du filtre passe-bande ont un niveau de puissance inférieur ou égal à la valeur seuil prédéterminée. 35 14 3. Dispositif selon la revendication 1 ou 2, dans lequel le circuit oscillateur comprend une sonde (13) pour coupler le circuit oscillateur (11) à la boîte métallique (12), laquelle sonde est disposée sur une paroi intérieure de la boîte métallique. 4. Dispositif selon la revendication 3, dans lequel le circuit oscillateur et le circuit de détection sont réalisés sur une première carte de circuit connectée à la sonde et sont disposés à l'intérieur de la boîte métallique, de préférence sur une paroi intérieure de la boîte métallique. 5. Dispositif selon l'une quelconque des revendications 1 à 4, dans lequel le circuit de détection comprend en outre un circuit de transmission sans fil (4) pour émettre un signal d'alerte vers un serveur distant (5). 6. Dispositif selon la revendication 5, elle-même dépendante de la revendication 4, dans lequel le circuit de transmission sans fil est réalisé sur une deuxième carte de circuit raccordée à une antenne via une liaison filaire, ladite deuxième carte de circuit et l'antenne étant disposées respectivement à l'intérieur et à l'extérieur de la boîte métallique, une ouverture étanche à l'air étant ménagée dans une paroi de la boîte métallique pour le passage de la liaison filaire. 7. Dispositif selon la revendication 6, dans lequel lesdites première et deuxième cartes de circuit forment une carte électronique unique. 8. Boîte métallique caractérisée en ce qu'elle 35 est équipée d'un dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 1 à 7. 15 9. Système de surveillance de boîtes métalliques caractérisé en ce que les boîtes métalliques sont équipées d'un dispositif de détection selon l'une quelconque des revendications 5 à 7 et en ce que le circuit de transmission sans fil des boîtes métalliques communique avec un serveur central. 10. Système selon la revendication 9, dans lequel le circuit de transmission sans fil des boîtes métalliques communique avec le serveur central selon le protocole ZigBee.