Comment les capteurs des objets connectés mesurent tout seuls
Vous branchez la voiture le soir, vous la débranchez au matin, et l’application annonce trente-quatre kilowattheures livrés en six heures et douze minutes. Personne n’a rien relevé. Pendant ce temps, la borne a fait la seule chose qu’un capteur sache faire : traduire. Un capteur transforme une variation physique en variation électrique, et trois étages placés derrière lui font de cette variation un chiffre. La mesure automatique est donc une affaire de composants. Chacun d’eux a rétréci, jusqu’à tenir aussi bien dans un boîtier mural de dix kilos que dans un anneau de trois grammes.
Un capteur ne mesure rien, il traduit
Le transducteur, l’organe qui convertit
Tout commence par un composant qui obéit à un effet physique, et à rien d’autre. Une thermistance CTN est une pastille dont la résistance s’effondre quand la température monte. Un capteur à effet Hall est une plaquette semi-conductrice parcourue par un courant : soumise à un champ magnétique perpendiculaire, elle développe sur ses flancs une tension de quelques millivolts. Un accéléromètre micro-usiné, ce qu’on appelle un MEMS, est une masse de silicium suspendue à des ressorts gravés dans la même plaque ; quand elle se déplace, la capacité entre elle et ses électrodes fixes varie de quelques femtofarads.
Aucun des trois n’a la moindre notion de degré, d’ampère ou de mètre par seconde carrée. Ils rendent des ohms, des millivolts et des femtofarads. Le degré arrive plus tard, par convention.
Le conditionnement, entre le signal et le nombre
Ce que rend un transducteur est faible, bruité et rarement proportionnel. Un étage d’amplification le remonte à un niveau exploitable. Un filtre écarte ce qui varie trop vite pour appartenir au phénomène observé, et une correction rattrape la courbure de la réponse.
Cette correction fait une bonne part du travail. Une thermistance ne varie pas linéairement : sa loi est exponentielle, et le nombre affiché sort d’une table de correspondance gravée dans la mémoire du composant, ou d’un polynôme évalué à la volée. Jamais d’une règle de trois. Deux pastilles issues du même lot n’ont pas exactement la même courbe, et les fabricants qui tiennent leur tolérance mesurent chaque pièce en fin de ligne pour écrire ses coefficients dedans.
Le convertisseur, là où la mesure devient un chiffre
L’étage suivant commande la finesse de tout ce qui précède, et les fiches techniques en parlent rarement. Un convertisseur analogique-numérique découpe l’étendue qu’on lui donne en marches d’égale hauteur : sur huit bits, deux cent cinquante-six marches ; sur douze, quatre mille quatre-vingt-seize. Une mesure ne descend jamais sous la hauteur d’une marche, quelle que soit la qualité du capteur en amont.
C’est pour cette raison qu’un même composant donne un résultat grossier ou fin selon la plage qu’on lui demande de couvrir. Étalé sur soixante ampères, un convertisseur de dix bits ne distingue rien en dessous de cinquante-huit milliampères. Ramené à une plage de deux ampères, il descend sous les deux milliampères avec la même électronique.
Le calculateur, qui décide
Un microcontrôleur récupère ces entiers. Il moyenne, compare à des seuils, horodate, transmet ou coupe. C’est le seul étage qui donne l’impression d’une intelligence, et son travail se réduit à de l’arithmétique sur des nombres entiers. Quand une notice annonce que l’appareil « analyse », traduisez : il soustrait et il compare.
Ce que votre borne mesure pendant que vous dormez
Le courant, sans ouvrir le circuit
Une wallbox connaît son intensité sans jamais interrompre le conducteur qui la traverse. Le fil passe au travers d’un anneau magnétique ; le champ qu’il crée suit fidèlement ce qu’il transporte, et une pastille à effet Hall logée dans l’entrefer rend une tension proportionnelle à ce champ. Rien ne touche le cuivre. La mesure tourne donc en permanence, sans usure, là où un shunt inséré en série chaufferait et vieillirait.
La température du connecteur
Une thermistance est presque toujours noyée dans la prise elle-même, au plus près des contacts. C’est là que ça chauffe : une borne de raccordement mal serrée, une lame de connecteur fatiguée par quelques milliers de branchements. Le câble, lui, chauffe rarement. Quand cette température grimpe, la wallbox abaisse l’intensité qu’elle annonce à la voiture ; la charge se poursuit plus lentement et le point chaud redescend. Le conducteur ne s’aperçoit de rien, sinon d’une charge un peu plus longue au matin.
Le défaut que le différentiel ne voit pas
Le chargeur embarqué d’une voiture redresse l’alternatif du réseau. En cas de défaut d’isolement de son côté, la fuite qui remonte vers le tableau est continue, et un courant continu aimante le tore d’un dispositif différentiel de type A jusqu’à le rendre aveugle aux défauts alternatifs qu’il était censé voir. Une protection purement mécanique ne sait rien faire de ce cas.
La réponse est électronique. Dans sa série de normes NF C 15-100, dont la partie 7-722 traite des infrastructures de recharge, chaque point de recharge doit être protégé par un différentiel de 30 milliampères ; quand celui-ci est de type A ou F, un dispositif mesure en permanence la composante continue et coupe au-delà de six milliampères. Six milliampères sur une installation qui en fait passer trente-deux mille, c’est un rapport de un à cinq mille. Aucun ressort, aucun aimant ne tient une consigne pareille : il faut un capteur, un convertisseur et une comparaison, autrement dit la chaîne décrite plus haut, montée sur un circuit qui vaut quelques euros. Le même texte introduit les détecteurs d’arc, qui écoutent la signature haute fréquence d’un contact qui grésille. Le schéma de protection au tableau range chacun de ces organes à sa place.
Pourquoi la même électronique tient au bout d’un doigt
Ce que la gravure du silicium a supprimé
Un accéléromètre ancien était un assemblage : une masse, des ressorts, un capteur de déplacement, un circuit, quatre pièces montées à la main. Le micro-usinage grave la partie mécanique et la partie électronique dans la même plaque de silicium, par les procédés qui servent déjà à faire des processeurs. La masse mobile, ses ressorts, ses électrodes et l’amplificateur qui les lit sortent d’un seul bloc, à des millions d’exemplaires, pour une surface de l’ordre du millimètre de côté.
Le prix suit la surface, et la surface a fondu. C’est la raison pour laquelle un composant réservé aux déclencheurs d’airbag se retrouve dans un podomètre à quinze euros.
Le budget d’énergie commande le reste
Ce qui sépare une borne d’un objet porté tient dans le budget d’énergie qu’on a le droit de dépenser pour allumer le capteur. La qualité du composant n’y est presque pour rien.
Une wallbox est branchée au secteur. Elle échantillonne son courant des milliers de fois par seconde, en continu, sans que personne ait à s’en soucier. Un anneau vit sur quelques dizaines de milliampères-heures et doit tenir plusieurs jours. Il dort donc l’essentiel du temps et se réveille par salves : la fréquence cardiaque dite continue est un relevé de quelques secondes, répété toutes les quelques minutes, dont on interpole le reste de la courbe. Le compromis porte sur le nombre de relevés, pas sur leur finesse.
Appliquée au corps, cette compression a fini par descendre sous le format de la montre. Des travaux menés à l’École polytechnique fédérale de Lausanne ont logé, sur une surface quatre fois plus petite qu’un boîtier de poignet, des modules d’aussi bonne tenue. Le recensement tenu par bagues-connectees.fr donne l’état actuel de ces volumes : un accéléromètre micro-usiné, une thermistance de peau et un couple diode-photodiode se partagent l’épaisseur d’un anneau de titane.
Trois signaux bruts, et tout le reste est du calcul
Le vocabulaire commercial entretient une confusion qui vaut des deux côtés. Aucun objet porté n’embarque de capteur de sommeil, de capteur de stress ou de capteur de calories : aucun des trois n’est une grandeur physique. Ce qui entre dans un anneau, ce sont un mouvement, une température de peau et une lumière renvoyée par le sang qui passe sous la pulpe du doigt. Tout le reste est un modèle appliqué à ces trois signaux.
Le même écart existe côté installation électrique. Un compteur communicant n’a pas de capteur de consommation : il a une intensité, une tension, une multiplication et une intégration dans le temps. Une borne n’a pas davantage de capteur de défaut. Nommer l’usage à la place de la grandeur donne l’illusion d’un appareil qui comprend, alors qu’il compte.
Le partage se lit ligne à ligne, et la dernière colonne est celle que les notices oublient.
| Ce que le capteur voit | Par quel effet | Ce qui en est déduit | Ce qui n’est pas mesuré |
|---|---|---|---|
| Un courant dans un câble | champ magnétique, effet Hall | énergie livrée, puissance instantanée | l’état réel de la batterie |
| Une chaleur de contact | résistance d’une thermistance | échauffement du connecteur | la température de la pièce |
| Une fuite continue vers la terre | tore et seuil à six milliampères | défaut d’isolement côté voiture | l’endroit du défaut |
| Une accélération sur trois axes | capacité d’une masse micro-usinée | pas, réveils, position du corps | le sommeil |
| Une lumière renvoyée par la pulpe | absorption par le sang qui passe | fréquence cardiaque, saturation | la pression artérielle |
| Une chaleur de peau | résistance d’une thermistance | écarts autour d’une moyenne | la température corporelle |
Cinq facteurs décident de la qualité d’une mesure automatique
Le composant n’arrive qu’en quatrième position.
L’étendue demandée passe devant tout. Plus la plage est large, plus la marche du convertisseur est haute, et plus les petites variations s’effacent. La cadence vient ensuite, bornée par l’énergie disponible et non par l’électronique.
L’emplacement, lui, pèse davantage que la réputation du capteur. Une pince ampèremétrique posée du mauvais côté du tableau mesure fidèlement une grandeur dont personne n’a besoin. Un anneau qui tourne sur le doigt éloigne sa photodiode du lit capillaire qu’elle vise, et la mesure se dégrade sans que le porteur en sache rien.
Le composant arrive après ces trois-là. La température ambiante ferme la marche : elle déforme la réponse de presque tous les transducteurs, y compris celle des capteurs qui ne mesurent pas la température.
Aucun capteur grand public n’est réétalonné
Un capteur dérive. Sa réponse se déplace lentement, sous l’effet du vieillissement et des cycles thermiques, et rien dans un objet grand public ne vient la recaler : ni étalonnage périodique, ni référence embarquée. La précision annoncée sur une fiche technique est celle d’un composant neuf, dans les conditions du laboratoire du fabricant.
La protection d’une borne fait exception, et c’est la seule du lot : le dispositif qui surveille la composante continue s’autoteste à intervalles réguliers et se met en défaut s’il ne se voit plus lui-même. Rien de tel dans l’électronique portée, où les grandeurs déduites ne se rapportent à aucune référence commune. Deux appareils qui annoncent une durée de sommeil profond ne s’accordent pas entre eux, sans qu’aucun des deux soit fautif : ils appliquent deux modèles différents à des signaux qui, eux, sont justes. L’écart entre les deux mondes tient là : l’installation électrique répond d’un texte opposable, la santé connectée de la parole du fabricant.
Devant un devis d’installation, deux questions valent d’être posées. Quel type de différentiel protège le point de recharge. Et le dispositif qui surveille la composante continue se trouve-t-il dans la borne ou dans le tableau. La réponse change le matériel à commander, et personne ne la donne spontanément.