Compteur portable de micro particules
- Ludovic
- 24 févr. 2019
- 8 min de lecture
Dernière mise à jour : 21 avr. 2019
De nos jours, la pollution atmosphérique est omniprésente et plus particulièrement dans nos villes. Les grandes métropoles en sont la proie toute l'année avec des taux de pollution atteignant parfois (et souvent pour certaine) des niveaux très dangereux pour la santé humaine. Les enfants sont extrêmement sensibles à la qualité de l'ai qu'ils respirent. Cet air pollué entraine chez eux, entre autre des problèmes d'allergie.
L'air est pollué à l'extérieur de nos habitation, mais aussi à des niveaux des fois plus important, à l'intérieur de nos maisons et voiture.
Le niveau de qualité de l'air est disponible sur le site suivant. Ce site chinois regroupe l'ensemble des mesures de qualité de l'air des capteurs du mode entier. Le niveau de qualité de l'air est formaté suivant un index AQI, pouvant légèrement varier d'un pays à l'autre. Ce document explique le mode de calcul de cet index. Cet autre document est un guide de compréhension.
Dans l'objectif de connaitre la qualité de l'air que nous respirons, où que nous allions et en temps réel, je me suis mis dans l'idée de créer un compteur de particules atmosphériques portable (que nous appellerons par la suite CPA), pouvant tenir dans la poche.
Il a donc été créé pour :
Tenir dans la poche.
Avoir une grande autonomie de fonctionnement.
Être facile à comprendre.
Pouvoir sauvegarder les mesures sur PC.
Être rechargeable.
Pouvoir y accéder avec son téléphone sans présence des réseaux locaux de communication Wifi.
Pouvoir contrôler un appareil de purification de l'air si la pollution dépasse un certain seuil.
Caractéristiques
Taille : 65x57x23mm
Particules mesurées : PM1, PM2.5 et PM10
Autonomie : entre 3 heures et plusieurs semaines suivant le mode de fonctionnement choisi.
Batterie Lithium-ion 3v7 - 680 mAh
Interface micro USB pour le rechargement et le transfert de données.
Mémoire de 2038 mesures (680 par type de PMxx)
Période d'échantillonnage : continu, 5min,15min,30min,1h
Sortie de commande 3v3v suivant niveau de pollution.
Interface à LED multicolore pour une simplicité d'utilisation
Interface de contrôle sur PC, tablette, téléphone (Android, Ios) via Wifi.
Les prototypes de boitier
J'ai commencé par réfléchir à la forme que je pourrais donner au boitier, en m'inspirant des designs moderne d'objets.
Voici quelques boitiers dessinés.
En final, j'ai retenu le boitier le plus simple à faire et le plus petit.
Les prototypes de carte
J'ai en tout fait 3 cartes prototypes.
Les prototypes ont permit de mettre au point les alimentations 5V et 3v3. Celles-ci ont été difficile à mettre au point car je devais trouver les composants permettant d'obtenir les puissances nécessaires au démarrage du microcontrôleur Wifi (ESP8266 - 12). La partie électronique de rechargement de la batterie Lithium-ion a été plus rapide à faire fonctionner.
Après, j'ai modifié plusieurs fois l'emplacement des différents interrupteurs et connecteurs pour une bonne ergonomie de l'appareil.
Le boitier
Il ressemble à cela:
Les LED sont visibles par transparence à travers le boitier.
Les entrées d'air sont du côté gauche du boitier. Sur le côté droit, on trouve :
Le bouton de sélection du mode d'affichage.
L'interrupteur marche/arrêt.
L'interrupteur de sélection pour transfert des mesures, vers le PC. Il permet de commuter entre une liaison série entre l'ESP8266 et le capteur de particules ou entre l'ESP8266 et le port micro USB. Attention, si celui-ci n'est pas bien positionné, la communication entre la carte électronique et le capteur ne sera plus assurée et le CAP ne pourra pas démarrer correctement.
La prise micro USB pour le rechargement de la batterie ou le transfert par protocole série des mesures.
Boitier imprimé en Nylon par la méthode d'impression 3D SLS.
Le capteur
J'ai testé deux capteurs différents.
Le SDS011 V1.2 PM2.5 Laser sensor de chez Nova Fitness Co. Ltd. (doc)
Voici un aperçu d'un relevé de mesure sur mon PC avec le logiciel de Nova Fitness.
L'autre capteur est le PMS7003 de chez PLANTOWER (doc ici).
C'est celui-ci que j'utilise dans mon boitier.
Il est capable de mesurer la concentration en particules fines de moins de 1µm (PM1); de moins de 2.5µm (PM2,5) et de moins de 10µm (PM10).
Le principe de fonctionnement du capteur PSM7003 est le suivant : un laser illumine la poussière de l'air. Un capteur optique capte la lumière du laser et génère un signal électrique proportionnel au taux et à la taille de poussière dans l'air.
Ses caractéristiques sont :
Le montage
Le CPA est composé de 4 pièces :
Le boitier
La carte électronique
Le capteur PMS7003
La batterie
La carte électronique s'enfiche sur le connecteur du capteur PMS7003. Puis l'ensemble est inséré dans le boitier.
Il y a juste la place de la batterie sur le coté du capteur.
Le fonctionnement
Le cœur du système est l'ESP8266 (type ESP-12F). Ce microcontrôleur est équipé d'un émetteur Wifi. L’ESP8266 est décliné en plusieurs variantes.
L'ESP8266 communique avec le capteur PMS7003 par liaison série. Il récupère les valeurs de concentration en particules et le nombre de celle-ci. Puis, il calcul l'indexe de qualité AQI, Si le mode de contrôle de la sortie 3v3 est en "Automatique" et le niveau de pollution en PM2.5 est supérieur à 50 (indexe de qualité de l'air AQI PM2.5 >50), la sortie 3v3 est mise au niveau haut (3v3). Sinon, elle est mise au niveau bas (0v).
L'ESP8266 est configuré en Access Point --> AP (point d’accès Wifi). C'est à dire qu'il est reconnu comme une borne Wifi sur laquelle le téléphone peut se connecter. Le téléphone doit pour cela sélectionner cette borne Wifi et renseigner le code APPSK (un peut comme un code WEP d'une box ADSL) pour y accéder. Puis, le téléphone rentre l'adresse IP à atteindre. Ici, elle sera 192.168.4.1. Alors, la page Web s'affiche sur le téléphone, à partir de laquelle on contrôle le boitier et visualise les valeurs de pollution.
Le code APPSK configuré dans le programme est "AQI_index". Le code APPSK peut être modifié par le programmeur car il est contenu dans le programme chargé dans l'ESP8266.
L'adresse pour charger la page web intégrée est : "192.168.4.1".
L'ESP8266 mesure la tension de la batterie. Au cas où celle-ci est en dessous de sa tension limite (3v2 = 0%), l'appareil est mis en standby. La batterie est à 100% quand la tension est à 4v2.
L'ESP peut garder en mémoire jusqu'à 2038 échantillons de valeur de concentration en particules PM1, PM2.5 et PM10. Soit environ 680 échantillons par taille de particule. Ces mesures sont téléchargeables en connectant un câble équipé d'un convertisseur USB/série et en lançant le transfert via l'application embarquée. Les valeurs des échantillons transférés sont normalisées comme suivant pour gagner de la place mémoire :
PM1 : (µg/cm3) / 5
PM2.5 : (µg/cm3) / 5
PM10 : (µg/cm3) / 6
Pour retrouver la bonne valeur de concentration, il faut alors multiplier la valeur par 5 ou 6 suivant le cas.
L'interface Web
C'est l'interface disponible après connexion entre le CPA et le téléphone.
Elle permet de visualiser les valeurs de concentration en microparticules pour les PM1, PM2.5 et PM10, en µg/m3. L'indexe de qualité de l'air est AQI, représenté par un nombre et une expression littérale, conformément au tableau de définition de l'indexe AQI.
On trouve aussi la jauge batterie.
Une section est dédié au contrôle automatique de la sortie de contrôle du CPA, sous le nom de Fan Configuration. Après les ":" du titre de la section, le mode en cours est affiché (Automatic, Start, Stop). A la base, cette sortie permettrait de contrôler un appareil de purification de l'air (fan=ventillateur). On a ainsi le choix entre forcer la marche ou l’arrêt, ou le laisser en mode automatique avec un déclenchement lorsque l'air dépasse un indexe AQI de 50.
Une section est dédié à la prise de mesure "Measure config". Après les ":" est indiqué le mode en cours (continued, periodic 5min, 15min, 30min, 1h, stop). Il est ainsi possible de prendre des mesures en continu (en réalité la période d'échantillonnage est proche de 2 secondes), ou toutes les 5, 15, 30 min, 1h, ou arrêt de l'échantillonnage.
La section "Display Mode" permet de choisir la façon dont les informations (toutes celles disponibles sur l'interface web) seront affichées sur le boitier via les LED multicolors. Après les ":" est indiqué le mode en cours (Compiled, PM1.0, PM2.5, PM10). Chaque appui sur "Display Mode" fait passer d'un mode d'affichage à un autre dans l'ordre suivant :
Compiled
PM1.0
PM2.5
PM10
Suivant le mode d'affichage,la signification des LED est comme suivant :
La signification de la couleur des LED en mode "Compiled" est comme suivant :
Niveau batterie :
>30% = vert
>10% et <30% : orange
<10% = rouge
Niveau mémoire :
>30% = vert
>10% et <30% : orange
<10% = rouge
Sortie de contrôle:
Sortie haute : vert
Sortie basse : rouge
Mode de contrôle automatique : bleu
Sortie PM1.0, PM2.5 et PM10:
La couleur des LED est celle correspondant au tableau des couleurs de l'indexe AQI.
La signification de la couleur des 10 LED en mode "PM1.0, PM2.5, PM10" est comme suivant:
La couleur des LED représente le niveau de pollution de l'air comme indiqué dans le tableau de l'indexe AQI. Par exemple, si les LED sont rouges, cela veux dire que le niveau de pollution est mauvais pour la santé.
Le nombre de LED allumé représente la valeur de l'indexe AQI pour la couleur considérée, comme indiqué dans le tableau de l'indexe AQI. Par exemple, si il n'y a qu'une LED verte allumée sur 10, l'indexe est de 1/10ème de l'indexe maximun vert, soit 50/10=5. Si 5 LED vertes allumées sur 10, la valeur est de 50/10x5=25. Si 5 LED violettes sont allumées, la valeur est de (300-201)/10x5+201=250.5.
A chaque appui sur le bouton poussoir, une des 4 LED de droite clignote en orange. Elle indique quel est le mode d'affichage sélectionné :
La section "Data Remaining" indique l'espace mémoire restant pour la sauvegarde des mesures. Après les ":" est indiqué le % restant. Un appui sur le bouton "clear memory" efface la mémoire. Un appui sur le bouton "download" lance le transfert des échantillons vers le PC.
En fin d'interface web, le tableau de l'indexe AQI est affiché.
Mise en marche
Basculer l'interrupteur Marche/arrêt en position Marche.
Un arc-en-ciel de LED apparait permettant de s'assurer que toutes les LED fonctionne.... et puis c'est joli.
Les LED en couleur turquoise s'allument les unes après les autres. Cela laisse le temps au capteur de particule de s'initialiser.
Un des modes d'affichage LED apparait.
Sur le téléphone ou le PC, choisir le réseau Wifi commençant par "AQI_I3D-"
Rentrer le code "AQI_index"
Ouvrir par exemple Google et taper dans la barre d'adresse : 192.168.4.1
La page web s'affiche
Transfert de données vers le PC
Pour transférer les données du boitier vers le PC il faut :
Brancher un câble micro USB / liaison série (niveau de tension 5v) vers USB PC.
Ouvrir un terminal série sur le PC et le configurer comme suivant : 9600 BAUDS, 1 bit stop, parity NONE, 1 bit start.
basculer le micro interrupteur "enable data upload"
Sur l'interface, appuyer sur "Download"
Sur le terminal série, attendre la fin de transfert et copier les données.
basculer le micro interrupteur "enable data upload" dans la position d'origine
Si le CAP parait ne plus fonctionner, il est possible que l'interrupteur ne soit pas bien remis en place.
Mise en veille entre phase d’échantillonnage
Dans les mode d’échantillonnage 5min, 15min, 30min et 1h, le CAP se met en veille automatiquement après avoir pris son échantillon de mesure et ne se réveille que 5, 15, 30 ou 60 minutes après. L'autonomie du CAP est ainsi extrêmement augmentée.
Réinitialisation en mode usine
Dans le cas ou le CAP aurrait quelques problèmes de fonctionnement, il est possible de remettre à zero tous les paramètres de fonctionnement et de redémarrer le CAP de manière fiable. Pour cela :
Éteindre le CAP
Rester appuyer sur le bouton poussoir
Allumer le CAP.
L'arc-en-ciel de LED apparait
Une bande de LED turquoise apparait en moins d'une seconde
Éteindre le CAP
Le CAP est maintenant réinitialisé.
Le programme sous Arduino
Pour programmer la carte il faut:
Ouvrir Arduino sur le PC
Configurer Arduino pour la carte ESP8266
Connecter un câble micro USB / série (3v3) UBS entre la carte et le PC
Basculer le bouton SW3 sur "prgm"
Rester appuyer sur le bouton "SW1"
Mettre en marche l'appareil --> L'appareil rentre en mode programmation
Relacher "SW1"
Sous Arduino, lancer la programmation
Après la fin de la programmation, basculer "SW3" sur "SW3"
Éteindre et redémarrer l'appareil
Les schémas électriques
PCB
Nomenclature
Le faire vous-même
Vous souhaitez le faire, aucun soucis, je vous propose plusieurs kits possibles suivant le budget que vous désirez y mettre.
L'ESP8266 est livré non programmé.
Suivant les kit, les composants CMS ne sont pas souder. Ce sera à vous de le faire.
Si j'ai beaucoup de demande pour des cartes électroniques avec les composants soudés de manière industrielle, je lancerais une production. Il me faut au moins 10 personnes pour proposer cette solution.
Pour commander des kits, aller dans la boutique, récupérer le contenu du panier et le coût total avec frais de port. Le paiement ne se fait que par Paypal à l'adresse suivante : lbodet56@orange.fr. Renseignez dans Paypal, les références et quantité commandé.
Envoyez-moi un mail via la page Contact et je vous répondrai.
Et la suite...
La suite, c'est d'associer l'appareil à un ioniseur. Ainsi des que l'air est pollué, l'appareil met en marche le ioniseur,
Un ioniseur permet d'une certaine façon de faire tomber les particules fines au sol. Il génère des électrons négatifs qui s'associe au gaz et poussières environnantes, transformant leur charge électrique positive en charge négative. Comme le sol et la plupart des objets ont une charge positive, les particules chargées négativement par le ioniseur sont attirées et se colle à eux. L'ai est ainsi assainie.
La ionisation de l'air à aussi beaucoup d'autre bienfait pour la santé.
Aujourd'hui, le ioniseur fonctionne. Ça présentation sera le sujet d'un prochain blog.
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