P3 Capteurs enfuis pour vieillissement du béton

• Etudiant : Florian Giovannangeli
• Encadrants : Alexandre Boé / Thomas Vantroys

Cahier des charges

Présentation générale du Projet

Contexte

Les ouvrages d'art sont généralement réalisés avec du béton. Le processus de maturation du béton est un ensemble de réactions chimiques qui dépendent de nombreux paramètres. Pour être suffisamment robuste, le béton doit sécher dans de bonnes conditions (température et humidité notamment). Le suivi du séchage par la mesure de paramètres comme l'humidité et la température à l'intérieur du béton est donc important afin de pouvoir anticiper et corriger les éventuels problèmes. Concevoir un capteur qui mesurerait ces paramètres tout au long de la vie du bâtiment serait donc une bonne solution.

Objectif

L'objectif de ce projet est de confectionner un prototype de capteur capable de mesurer et transmettre les caractéristiques à l'intérieur du béton au cours de sa maturation et de son séchage.

Description

Ce projet propose donc de concevoir et réaliser un système permettant de mesurer différents paramètres physiques (notamment température et humidité) et de les transmettre à une station de base. Différentes parties sont attendues :

• conception du capteur à base de composants du commerce et sur des standards éprouvés,
• conception d'une interface de récupération des données issues des capteurs,
• tests en situation réelle (coulage de béton avec insertion d'un capteur).

Au cours des 3 premiers jours, les variations de températures sont conséquentes, le capteur transmettra donc toutes les 10 minutes la température au cœur du béton. Puis les températures seront relevées toutes les heures pendant la phase de départ (soit une semaine). Les mesures passeront à une par jour jusqu'au 100ième jours de maturation.

Concernant l'humidité une mesure sera effectuée toutes les heures pendant les 28 premiers jours puis passera à une mesure par jour jusqu'au 100ième jour. Une fois cette période passée, l'humidité ne varie que très peu donc les mesures ne seront plus utiles.

Une fois la première phase de maturation passée, les mesures s'espaceront à une fois par semaine pour un bon suivi du sèchement du béton.

Ce capteur devra être capable d'émettre pendant 5 à 10 ans.

Contraintes

Capteur

Afin que le système de capteur puisse être inséré dans le béton et puisse réaliser les fonctions souhaitées, il est nécessaire qu'il soit :

• étanche ; pour éviter toute dégradation des composants
• économe en énergie ; de façon à tenir 5 à 10 ans
• rentable ; car il aura une unique utilisation
• capable de transmettre régulièrement des données à travers le béton

Interface

Pour être capable de suivre et analyser les caractéristiques mesurées, l'interface de récupération devra être :

• capable de recevoir et stocker les données envoyées par le capteur
• intuitive pour l'utilisateur
• sur une support commun pour une utilisation universelle

Choix du matériel

NON DEFINITIF.

Pour répondre aux fonctionnalités et aux contraintes définies ci-dessus, les composants nécessaires pour la conception du capteur sont les suivants :

• Micro-contrôleur (à choisir)
• Quartz (selon muC)
• Connecteur ISP (6 broches)
• Capteur(s) température & humidité (à choisir)
• Émetteur-Récepteur RF
• Pile bouton lithium 3V ou alcaline 1,5V (à choisir selon consommation composants)

Autres :

• Boîtier étanche (à réaliser)
• Filtre anti-humidité

Avancée du projet

Planning prévisionnel

Semaine 1 (13/03)	Choix du sujet et études préliminaires
Semaine 2 (20/03)	Réunions avec les encadrants de projet et autres enseignants afin de définir les objectifs Étude de faisabilité / Choix et commande des composants / Réalisation schématique et PCB
Semaine 3 (27/03)	A définir
Semaine 4 (03/04)	A définir
Semaine 5 (10/04)	A définir
Semaine 6 (17/04)	A définir
Semaine 7 (24/04)	A définir

Etudes préliminaires

Alimentation :

L'une des caractéristiques importantes du système souhaité est sa longévité. Même si son utilisation sera intermittente et de courte durée, le capteur doit pouvoir émettre des données pour une durée de 5 à 10 ans, et cela sans ravitaillement possible de l'extérieur. De plus, pour éviter une fragilité de la structure en béton ou pour des zones éventuellement étroites, il serait préférable d'utiliser une alimentation de petite taille. La meilleure option semble l'utilisation de piles "boutons" au dioxyde de manganèse. Deux types sont disponibles, les piles lithium 3V ou les alcalines 1,5V. Les piles lithium ont une durée de vie généralement plus longue mais sont plus onéreuses que les piles alcalines. Un choix devra être fait en fonction de la consommation des composants du capteur.

Communication :

La méthode de communication qui apparaît dans le cahier des charges et qui semble la plus pratique est la communication radio RF. Deux choix s'offrent alors : soit la réalisation d'une carte électronique "maison" avec les composants de notre choix (micro-contrôleur + émetteur/récepteur etc...), soit l'acquisition d'une carte déjà réalisée avec les fonctions souhaitées. Mais la deuxième option risque d'être plus onéreuse alors que notre système se doit d'être à un bas prix.

Micro-contrôleur :

Les fonctions de commande de notre système et les composants associés seront peu nombreux. Une mémoire peut importante sera donc nécessaire. Comme les différences entre les micro-contrôleurs est souvent une question de mémoire (ex: ATMega8/16/32), le choix du micro-contrôleur peut donc se porter sur le prix et la consommation de celui-ci.

Boîtier :

La difficulté du boîtier qui contiendra le système est que celui-ci doit être étanche autour de la carte afin de protéger les composants électroniques du béton et notamment de l'eau lors de son coulage, mais il doit également laisser aux capteurs la possibilité de mesurer l'humidité et la température. Deux solutions sont à étudier : soit un boîtier laissant ressortir uniquement les capteurs, mais sa réalisation devra donc être très précise selon les composants choisis, soit un filtre fin capable de laisser suffisamment passer l'humidité pour la mesurer sans risquer d'abîmer les autres composants.

Livrables

Détails composants

NON DEFINITIF.

Quantité	Description	Vendeur	Fabricant	Référence Fabricant	URL
1	ATTINY84A-PU	Farnell	Atmel	ATTINY84A-PU	http://fr.farnell.com/atmel/attiny84a-pu/micro-8-bits-avr-8k-flash-14pdip/dp/1972172