Construction d’un dispositif EXAO Libre et Sans-Fil

Travail réalisé par Davy Renaud

Description : - Construction d’un module EXAO à l’aide d’un micro-contrôleur ESP32

    Présentation de l’interface graphique utilisable en classe
    Des exemples d’activités pratiques possibles avec ce module à développer

Discipline : Sciences de la Vie et de la Terre (mais aussi Physique-Chimie)

Mots-clés : EXAO, capteurs, libre, ESP32, Javascript

Thème du programme : de nombreux thèmes du programme sont concernés par l’utilisation d’un dispositif EXAO.
L’utilisation d’un enregistrement autonome permet le travail sur les milieux de vie, la météorologie et la climatologie, la respiration et la photosynthèse, ...

Objectifs:
Ce projet a pour objectif de fournir aux enseignants de S.V.T. et plus largement de Sciences des ressources (notamment des programmes complets pour le module et l’interface) pour construire un ensemble de module et de capteurs utilisables avec une interface simple disponible et identique sur toutes les plateformes (Windows, Android, iOS, Linux).

Présentation du projet de dispositif EXAO :
Ces modules et ces capteurs peuvent être construit avec des élèves volontaires lors d’un club Sciences. Pour les enseignants de S.V.T. il faut demander l’aide des collègues de Technologie pour le matériel.
Ce dispositif EXAO est composé de modules sans fil qui peuvent être connectés à différents capteurs à l’aide d’un connecteur solide.
En fonction des capteurs utilisés, le module peut servir tout au long de l’année lors de différents travaux pratiques.

Vue du module et d'un capteur ainsi que de la carte intégrée dans le boîtier

Les modules sont constitués autour d’une carte de développement contenant l’essentiel des composants nécessaires : micro-contrôleur ESP32 avec gestion du Bluetooth (et du Wifi), mémoire, voyants, interrupteur, lecteur de carte SD,...
Le code est conçu grâce à l’environnement de développement Arduino IDE et développé en C++ et permet facilement l’intégration de capteurs supplémentaires.
L’interface graphique est une application web développée en Javascript.
Enfin les modèles 3D pour l’impression des boîtiers ont été développés avec le logiciel de modélisation Blender.

Les modules sont encore un peu en développement (notamment pour l’impression des boîtiers en 3D) et nécessitent des ajustements (l’implication de testeurs serait bienvenue). Mais la liste des composants est définitive et le code développée est proche de la maturité. L’ergonomie de l’interface nécessite encore plusieurs améliorations.

Mise en œuvre :

La mise en œuvre de la construction des modules peut se faire lors d’un club Sciences avec des élèves autonomes après prise en main de la construction d’un module par des enseignants de S.V.T. et/ou de Technologie. Les modules et les capteurs sont personnalisables et un travail sur une partie du code peut être envisagé à terme.

Les étapes de la mise en œuvre sont :

• Impression des boîtiers (impression en 3h pour les boîtiers d’un module et d’un capteur)
  
  Boîtier du module sur le plateau d'impression
   
• Construction des modules et des capteurs à l’aide des composants et d’un poste à souder et des tutoriels à venir (environ 30 minutes à 1h pour le premier module)
• Chargement du programme sur les modules à l’aide du logiciel Arduino (ou ESP Flash Download Tools pour Windows également) (quelques minutes pour installer les librairies simplement, puis 1 minute pour télécharger le code sur le module)
• Installation de l’interface sur un PC ou une tablette (voire un smartphone) en quelques secondes en se rendant à l’adresse https://webapp.explord.net à l’aide de Chrome. Il faut ensuite installer l’application à l’aide de Chrome pour une utilisation hors-ligne (sans connexion à internet).

Carte soudée avant connexion au connecteur

Fonctionnalités des modules et de l’interface

• Connexion en Bluetooth à plusieurs tablettes ou ordinateurs (aussi possible en USB sans interface pour l’instant).
• Affichage des valeurs provenant de plusieurs modules et enregistrement pour construire un graphique par valeurs mesurées sur une interface multi-plateform
• Export des valeurs enregistrées (format .csv) depuis l’interface pour traitement avec un tableur.
• Enregistrement autonome des mesures sur une longue période dans un fichier sur la carte SD (Datalogging)
• Module configurable à l’aide de l’interface (intervalle de mesure, connexion Bluetooth et USB, enregistrement autonome des valeurs, nom du fichier d’enregistrement autonome, connexion unique ou multiple (un module et plusieurs tablettes ou ordinateurs …

Aperçu du fonctionnement de l’interface simple encore en développement

Aperçu des possibilités d'utilisation des données

Matériel nécessaire :

Les composants sont à commander chez un vendeur de composants (GoTronic, Technologie Services ….) .
Possiblement certains revendeurs de composants ou le service académique du matériel scientifique pourront proposer des kits de composants.
Le matériel nécessaire à la construction des modules peut se trouver dans la plupart des collèges et des lycées. Les boîtiers des modules sont à imprimer en 3D et les imprimantes 3D sont maintenant courante dans les établissements du secondaire. Il faut ensuite utiliser un logiciel simple pour lire le programme et le charger dans les modules (Arduino IDE).

Ressources nécessaires

Ressources numériques :

• logiciel Arduino IDE pour charger le code sur le micro-contrôleur
• code source libre et en développement https://github.com/glyptostroboides/explord
• logiciel Cura pour lancer les impressions 3D
• logiciel Google Chrome sur l’ordinateur, la tablette ou le Smartphone équipé du Bluetooth 4.0 au minimum pour l’interface graphique
• interface graphique libre et en développement : https://webapp.explord.net/ (installable dans Chrome pour un travail hors ligne)

Outils :

Outils nécessaires pour la réalisation d'un module et d'un capteur (imprimante 3D exclue)

• poste ou fer à souder et fil de soudure en étain
• pince coupante, pince fine et pince plate
• imprimante 3D
• papier à poncer, cutter
• câble USB – Micro USB

Listes des composants :

Pour chaque module, le coût avec un achat en ligne sur un site bon marché ne permettant pas les bons de commandes est d’un peu moins de 12 euros (11,5 euros environ avec carte SD 8Go).
Les prix indiqués pour chaque composant sont des prix constatés sur la toile et ne sont pas les prix pratiqués par les enseignes vendant du matériel électronique aux établissements scolaire à l’aide de bon de commande administratif.

Composants nécessaires pour fabriquer un module
 

Liste des composants nécessaires pour fabriquer un module

- carte TTGO T1 avec micro-contrôleur ESP32 (livrée avec connecteur batterie) (4,6 euros)
- transistor N-MOSFET BS170 (pour couper l’alimentation du capteur) (0,1 euros)
- résistance 10 kOhm (0,01 euros)
- connecteur mâle GX12 - 7 broches (0,6 euros, lot mâle femelle 0,8 euros)
- batterie 3.7v LiPo 753050 (2,8 euros)
- vis autotaraudeuse M2 8mm (1,2 euros les 50)
- câble ruban 10 voies x 7cm (0,8 euros par mètre soit 0,06 euros) ou autres
- carte micro SD (de 8Go à 64Go) (facultatif mais nécessaire pour l’enregistrement autonome) (2,7 euros pour 8Go)

Pour chaque capteur : (0,7 euros)
- potentiomètre ou résistance variable de 20kOhm de type 3362 (0,08 pièce : 0,8 euros lot de 10)
- connecteur femelle GX12 – 7broches (0,6 euros)
- vis autotaraudeuse M2 8mm (1,2 euros les 50) de une à trois
- câble ruban x 5cm ou autres câbles

Pour le capteur Humidité-Température :
- capteur DHT 22 (2,5 euros)

Pour le capteur Humidité-Température-Pression
- module BME 280 3.3v (1,8 euros)

Composants nécessaires pour le capteur humidité et température

Pour le capteur Température :
- capteur DS18B20 étanche avec câble (0,9 - 1,1 euros pièce)
- résistance 4,7 kOhm

Pour le capteur Luminosité :
- module TSL2561 (0,9 euros)

Pour le capteur CO2 :
- pompe de charge 3.3v – 5v DD050 ( 0,8 à 1,1 euros pièce)
- capteur MH-Z16 50 000 ppm (27 euros)
- condensateur 10µF 25V

Pour le capteur O2 :
- pompe de charge 3.3v – 5v DD050 ( 0,8 à 1,1 euros pièce)
- capteur LOX-02S (80 euros) (commandable directement chez le fabricant en Angleterre)
- condensateur 10µF 25V

Estimation du coût des composants :

Un jeu de 10 modules : ~120 euros
3 x 5 capteurs  (Humidité-Température-Pression, 3 Températures, Luminosité) : ~28 euros
1 x 5 capteurs (Dioxyde de carbone) : ~140 euros
1 x 5 capteurs (Dioxygène) : ~400 euros : (le prix d’une sonde de qualité équivalente  pour 5 sondes!!)

soit 700 euros environ pour un système EXAO complet avec 10 modules et 25 capteurs mais en Do It Yourself (sans les sondes pour les gaz : 10 modules et 3x5 capteurs : ~ 150 euros)

Module DIY en fonctionnement (le vert indique une prise de mesure et le rouge indique que le module est allumé)