Compteur de microparticules portable PM1 PM2.5 PM10 : 20 étapes (avec photos)

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:08

De nos jours, la pollution de l'air est omniprésente et plus particulièrement dans nos villes. Les grandes villes sont des proies toute l'année avec des niveaux de pollution atteignant parfois (et souvent pour certains) des niveaux très dangereux pour la santé humaine. Les enfants sont extrêmement sensibles à la qualité de l'air qu'ils respirent. Cet air pollué leur entraîne, entre autres, des problèmes d'allergie. L'air est pollué à l'extérieur de notre maison, mais aussi aux niveaux des moments les plus importants, à l'intérieur de nos maisons et de nos voitures. Le niveau de qualité de l'air est disponible sur le site suivant. Ce site chinois regroupe toutes les mesures de qualité de l'air des capteurs de l'ensemble du mode. Le niveau de qualité de l'air est formaté selon un indice AQI, qui peut légèrement varier d'un pays à l'autre. Ce document explique comment calculer cet indice. Cet autre document est un guide de compréhension.

Afin de connaître la qualité de l'air que nous respirons, où que nous allions et en temps réel, je me suis lancé dans la création d'un compteur de particules atmosphériques portable (que nous appellerons plus tard CPA)., pouvant tenir dans la poche. Il a été créé pour:

• Tenir dans la poche.
• Avoir une grande autonomie de fonctionnement.
• Être facile à comprendre
• Peut enregistrer les mesures sur PC.
• Être rechargeable.
• Pour pouvoir y accéder avec votre téléphone sans la présence des réseaux locaux de communication Wifi.
• Pouvoir piloter un appareil de purification d'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 selon le mode de fonctionnement choisi.
• Batterie lithium-ion 3v7 - 680 mAh
• Interface micro USB pour le chargement 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 3v3 en fonction du niveau de pollution.
• Interface LED multicolore pour une meilleure compréhension
• Interface de contrôle sur PC, tablette, téléphone (Android, iOS) via Wifi.

Étape 1: Les prototypes de Box

J'ai commencé par réfléchir à la forme que je pourrais donner à la boîte, inspirée des conceptions d'objets modernes.

Voici quelques cases dessinées.

Au final, j'ai choisi le cas le plus simple à réaliser et le plus petit: voir la photo principale sur cette instructable.

Étape 2: Prototypes de cartes

J'ai en tout 3 prototypes de cartes. Mais seulement 2 sont visibles ici.

Les prototypes ont permis de développer les alimentations 5V et 3v3. Celles-ci ont été difficiles à développer car je devais trouver les composants pour obtenir la puissance nécessaire au démarrage du microcontrôleur WiFi (ESP8266 - 12). La partie charge électronique de la batterie Lithium-ion était plus rapide à faire fonctionner. Après, j'ai changé plusieurs fois l'emplacement des différents interrupteurs et connecteurs pour une bonne ergonomie de l'appareil.

Étape 3: La boîte

Les LED sont visibles par transparence à travers le boîtier. Les entrées d'air sont sur le côté gauche du boîtier. Sur le côté droit on trouve:

• Le bouton de sélection du mode d'affichage.
• L'interrupteur marche/arrêt.
• Le commutateur de sélection pour le transfert des mesures vers le PC. Il permet de basculer 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 recharger la batterie ou les mesures de transfert de protocole série.

Étape 4: Le capteur

J'ai testé deux capteurs différents. Le capteur laser SDS011 V1.2 PM2.5 de Nova Fitness Co. Ltd. (doc) avec la clé d'interface série USB.

L'autre capteur (boîtier métallique) est le PMS7003M de PLANTOWER (doc).

C'est celui que j'utilise dans mon cas. Il est capable de mesurer la concentration de particules fines de moins de 1µm (PM1); moins de 2,5μm (PM2,5) et moins de 10μm (PM10). Le principe de fonctionnement du capteur PSM7003M est le suivant: un laser éclaire la poussière de l'air. Un capteur optique capte la lumière laser et génère un signal électrique proportionnel au taux et à la taille de la poussière dans l'air.

Ses caractéristiques sont indiquées dans le tableau des caractéristiques.

Étape 5: Montage

Il y a juste l'emplacement de la pile sur le côté du capteur.

Étape 6: Opération

Le cœur du système est l'ESP8266 (type ESP-12F). Ce microcontrôleur est équipé d'un émetteur Wifi. L'ESP8266 est disponible en plusieurs variantes. L'ESP8266 communique avec le capteur PMS7003 via une liaison série. Il récupère les valeurs de concentration en particules et le nombre de particules. Ensuite, il calcule l'indice de qualité AQI, Si le mode de contrôle de la sortie est en "Automatique" et le niveau de pollution en PM2.5 est supérieur à 50 (indice de qualité de l'air AQI PM2.5 > 50), la sortie est élevée (3v3). Sinon, il est réglé sur bas (0v). L'ESP8266 est configuré dans Point d'accès -> AP (point Wifi). C'est-à-dire qu'il est reconnu comme un terminal Wifi sur lequel le téléphone peut se connecter. Le téléphone doit sélectionner cette borne Wifi et saisir le code APPSK (un peu comme un code WEP d'une box ADSL) pour y accéder. Ensuite, le téléphone entre l'adresse IP à joindre. Ici, ce sera 192.168.4.1. Ensuite, la page web s'affiche sur le téléphone, à partir de laquelle on pilote la box 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. Si elle est en dessous de sa tension limite (3v2 = 0%), l'appareil est mis en veille. La batterie est à 100% lorsque la tension est de 4v2.

L'ESP peut stocker jusqu'à 2038 échantillons de valeurs de concentration de particules PM1, PM2,5 et PM10. Environ 680 échantillons par taille de particule. Ces mesures peuvent être téléchargées 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 suit pour économiser de l'espace mémoire:

• PM1: (μg / cm3) / 5
• PM2,5: (μg / cm3) / 5
• PM10: (μg / cm3) / 6

Pour trouver la bonne valeur de concentration, multipliez ensuite la valeur par 5 ou 6 selon les cas.

Étape 7: Interface Web 1/4

Voir la vidéo de l'interface web

C'est l'interface disponible après connexion entre le CPA et le téléphone. Il permet de visualiser les valeurs de concentration en microparticules pour les PM1, PM2,5 et PM10, en μg/m3. L'indice de qualité de l'air est l'IQA, représenté par un nombre et une expression littérale, selon le tableau de définition de l'indice IQA. Il y a aussi la jauge de batterie.

Une section est dédiée au contrôle automatique de la sortie de contrôle du CPA, sous le nom de Fan Configuration. Après le ":" du titre de la section, le mode en cours est affiché (Automatique, Démarrer, Arrêter). A la base, cette sortie contrôlerait un dispositif de purification d'air (ventilateur = ventilateur). Il est ainsi possible de forcer l'allumage ou l'extinction, ou de le laisser en mode automatique avec un déclenchement lorsque l'air dépasse un indice AQI de 50.

Une section est dédiée à la mesure "Measure config". Après le ":" est indiqué le mode en cours (suite, périodique 5min, 15min, 30min, 1h, stop). Il est ainsi possible d'effectuer des mesures en continu (en effet la période d'échantillonnage est proche de 2 secondes), ou toutes les 5, 15, 30 min, 1h, ou arrêter l'échantillonnage.

La section "Mode d'affichage" permet de choisir comment les informations (toutes celles disponibles sur l'interface web) seront affichées sur la box via des leds multicolores. Après le ":" est indiqué le mode actuel (Compilé, PM1.0, PM2.5, PM10). Chaque appui sur « Display Mode » permet de passer d'un mode d'affichage à l'autre dans l'ordre suivant:

• Compilé
• PM1.0
• PM2,5
• PM10

Étape 8: Interface Web 2/4

La signification de la couleur de la LED en mode "Compilé" est la suivante: Niveau de batterie:

• > 30% = vert
• > 10 % et < 30 %: orange
• <10 % = rouge

Niveau de mémoire:

• > 30% = vert
• > 10 % et < 30 %: orange
• <10 % = rouge

Sortie de contrôle:

• Haut rendement: vert
• Sortie faible: rouge
• Mode de contrôle automatique: bleu

Étape 9: Interface Web 3/4

Sortie PM1.0, PM2.5 et PM10: La couleur de la LED est celle correspondant à la table des couleurs de l'indice AQI. La signification de la couleur des 10 LED en mode "PM1.0, PM2.5, PM10" est la suivante:

• La couleur des LED représente le niveau de pollution de l'air tel qu'indiqué dans le tableau de l'indice AQI. Par exemple, si les LED sont rouges, cela signifie que le niveau de pollution est mauvais pour la santé.
• Le nombre de LED allumées représente la valeur de l'indice AQI pour la couleur en question, comme indiqué dans le tableau de l'indice AQI. Par exemple, s'il n'y a qu'une seule LED verte sur 10, l'index est 1/10ème de l'index vert maximum, soit 50/10 = 5. Si 5 LED vertes sur 10, la valeur est 50/10x5 = 25. Si 5 les LED violettes sont allumées, la valeur est (300-201) /10x5+201=250,5.
• A chaque appui sur le bouton poussoir, une des 4 LED de droite clignote en orange. Il indique quel est le mode d'affichage sélectionné:

Étape 10: Interface Web 4/4

La section "Données restantes" indique l'espace mémoire restant pour sauvegarder les mesures. Après le ":" est indiqué le % restant. Une pression sur le bouton « effacer la mémoire » efface la mémoire. L'appui sur le bouton "Télécharger" lance le transfert des échantillons vers le PC. A la fin de l'interface web, le tableau de l'index AQI est affiché.

Étape 11: Commencer

1. Mettez l'interrupteur Marche/Arrêt sur la position Marche.
2. Un arc-en-ciel de LED apparaît pour s'assurer que toutes les LED fonctionnent…. et puis c'est joli.
3. Les LED turquoise s'allument les unes après les autres. Cela laisse le temps au capteur de particules de s'initialiser.
4. L'un des modes d'affichage LED apparaît.
5. Sur le téléphone ou le PC, choisissez le réseau Wifi commençant par "AQI_I3D-"
6. Entrez le code "AQI_index"
7. Ouvrez par exemple Google et tapez dans la barre d'adresse: 192.168.4.1
8. La page Internet s'affiche

La vidéo

Étape 12: Transfert de données vers le PC

Pour transférer les données de la box vers le PC vous devez:

1. Connectez un câble micro USB / liaison série (niveau de tension 5v) au PC USB.
2. Ouvrez un terminal série sur le PC et configurez-le comme suit: 9600 BAUDS, 1 bit de stop, parité NONE, 1 bit de start.
3. Basculez le micro-interrupteur « activer le téléchargement des données »
4. Sur l'interface, appuyez sur "Télécharger"
5. Sur le terminal série, attendez la fin du transfert et copiez les données.
6. Basculez le micro-interrupteur « activer le téléchargement des données » sur la position d'origine

Si le CAP semble ne pas fonctionner, il est possible que l'interrupteur ne soit pas remis en place.

Étape 13: Veille entre la phase d'échantillonnage

Dans les modes d'échantillonnage 5 min, 15 min, 30 min et 1 h, le CAP se met automatiquement en veille après avoir prélevé son échantillon de mesure et ne se réveille que 5, 15, 30 ou 60 minutes plus tard. L'autonomie de la PAC est ainsi extrêmement accrue.

Étape 14: Réinitialiser en mode usine

Dans le cas où le CAP a des problèmes de fonctionnement, il est possible de réinitialiser tous les paramètres de fonctionnement et de redémarrer le CAP de manière fiable. Pour ça:

1. Éteindre le CAP Restez sur le bouton poussoir Allumez le CAP.
2. L'arc-en-ciel de LED apparaît
3. Une bande LED turquoise apparaît en moins d'une seconde
4. Désactiver le CAP
5. Le CAP est maintenant réinitialisé.

Étape 15: Le programme sous Arduino

est disponible ici

Pour programmer la carte il faut:

1. Ouvrez Arduino sur le PC
2. Configurer Arduino pour la carte ESP8266
3. Connectez le câble micro USB / série UBS (3v3) entre la carte et le PC
4. Basculez le bouton SW3 sur "prgm"
5. Restez sur le bouton "SW1"
6. Allumer l'appareil -> L'appareil entre en mode programmation
7. Libérer "SW1"
8. Sous Arduino, commencez à programmer
9. Après la fin de la programmation, passez de "SW3" à "SW3"
10. Arrêter et redémarrer l'appareil

Étape 16: Schémas électriques

Étape 17: PCB

Étape 18: Nomenclature

C'est ici

Étape 19: Faites-le vous-même

Vous voulez le faire, pas de soucis, je vous propose plusieurs kits possibles selon le budget que vous voulez mettre

Visitez mon site web (version française disponible)

Étape 20: Et plus encore…

L'étape suivante consiste à associer l'appareil à un ioniseur. Pour que l'air soit pollué, l'appareil démarre l'ioniseur, Un ioniseur permet en quelque sorte de faire tomber les fines particules sur le sol. Il génère des électrons négatifs qui s'associent au gaz et à la poussière environnants, transformant leur charge électrique positive en une charge négative. Comme le sol et la plupart des objets ont une charge positive, les particules chargées négativement par l'ioniseur sont attirées et s'y collent. L'air est ainsi purifié. L'ionisation de l'air est également beaucoup d'autres avantages pour la santé. Aujourd'hui, l'ioniseur fonctionne. Cette présentation fera l'objet d'un prochain blog.