Capteur CO2 Labfab

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Façade du capteur CO2 Labfab

Le capteur CO2 est un projet collaboratif initié par le réseau des Labfab de Rennes en partenariat avec la MCE (Maison de la consommation et de l'environnement). L'objectif est de proposer un capteur, facile à monter, qui permet une mesure de CO2 dans une pièce. Le résultat du calcul du seuil de concentration de CO2 s'affiche en ppm (partie par million) et suit un code couleur pour déterminer si l'aération est suffisante.

Ce capteur permet donc de déterminer les périodes d'aération dans des espaces fermés, notamment dans le cadre scolaire. En effet, une concentration élevée de CO2 dans une salle de classe a pour conséquence possible la baisse de la concentration et même un état de somnolence.

Cette problématique a été soulevée lors de la crise sanitaire de la Covid-19 lorsqu'une corrélation a été établie entre la concentration de CO2 dans une pièce et la transmission du virus.

Seuils de concentration de CO2

Le lien entre la concentration de CO2 et la qualité de l'air dans une pièce permet d'établir des seuils de référence[1] :

Dos du capteur
Couleur des leds du capteur Concentration de C02 Recommandation
VERT Environ 410 ppm Valeur de référence, concentration correspondant à l'air extérieur.
VERT < 600 ppm Recommandé pour les espaces de restauration.
VERT < 800 ppm Recommandé pour les espaces clos avec port du masque (bureaux, salles de réunions, salles de classes, etc...)
ORANGE < 1000 ppm Il faut aérer !
ROUGE > 1000 ppm Il faut aérer et il n'est pas conseillé de rester dans la pièce

Attention, les valeurs ci-dessus sont valables si la concentration en CO2 de l'air extérieur est autour de 410ppm. En cas de pic de pollution, elle peut monter à 500 ou 600ppm. Dans ce cas, il faut modifier les seuils : par exemple une concentration mesurée en extérieur à 510 ppm implique de rajouter 100ppm à tous les seuils du tableau ci-dessus.


Schéma seuils du capteur CO2
Schéma seuils du capteur CO2


Outils et matériels

Matériels

Matériels Qte Prix Caractéristiques Image
Carte programmable -

M5Stack ATOM Matrix

1 18 € Carte miniature de la marque M5Stack basé sur ESP32.

Cette carte à la particularité d'avoir une taille miniature.

Matrix.jpg
Capteur CO2 - SenseAir S8 1 30 € Capteur de CO2 assez standard recommandé par nousaerons.fr

Attention, il existe parfois des contrefaçon (les capteurs les moins cher d'internet peuvent en être).

SenseairS8.jpg
Câbles dupont -

Mâle > Femelle

4 0,20 € Petits câbles de prototypage avec un côté dit femelle et un côté du mâle.

Vous en aurez besoin de 4 au total.

Jumpers MF.jpg
Bois -

Plaque de contreplaqué

1 1€ Dimension : 22 cm x 6 cm

Épaisseur : 3 mm

Bois 3mm.jpg
Cable -

USB-C

1 5€ Câble de type USB-C à brancher sur l'alimentation (normalement) de type USB-A. Usb C.jpg
Alimentation USB -

5V

1 5€ Minimum 800mA.

Un chargeur de téléphone portable ou une batterie externe.

Alimentation 5v.jpg

Outils pour préparer le capteur

Outils Caractéristiques Image
Découpeuse laser Une machine de découpe laser

Taille minimum 22cm par 6cm - pouvant couper 3mm

Découpe Laser.jpg
Ordinateur avec logiciel Arduino Un ordinateur équipé du logiciel Arduino Ordinateur.jpg
Fer à souder Un fer à souder avec de l’étain (si possible sans plomb) Fer à souder.jpg
Éclaté des matériels composants le capteur CO2

Cas particulier : Vous préparer un atelier de fabrique de capteurs ?

Pour amorcer au mieux la fabrique de capteurs, pour une association, pour une école ou toute autre structure, nous vous conseillons dans un premier temps de bien jauger le public cible de votre atelier. Ce capteur CO2 à été imaginé pour être réalisé par un large éventail de public ; public qui n'est pas nécessairement accoutumé aux bidouilles aux codes et autre montage de projets.

  • Vous pouvez donc, si votre groupe est composé de makers invétéré ou en herbes : commander l'ensemble du matériel, réunir les outils (ou vous déplacer à l'endroit adéquat où ils se trouvent : fablab, EPN, ateliers ...) et commencer directement le montage des capteurs CO2 en suivant nos tutoriels.
  • Vous pouvez aussi, si votre groupe est composé de parfaits néophytes, préparer quelques étapes (soit une soit les deux) qui les aiderons à monter leur capteur sans crainte.
    1. Soudez les capteurs CO2 comme décrit dans l'étape de montage nommé prérequis.
    2. Téléverser les codes Arduino dans Cartes programmables Atom Matrix comme décrit dans l'étape de programmation.

Fichiers à télécharger

Plan de Découpe
Icone de plans.png
[Lien]

pour bois 3,3mm

Plan de Découpe
Icone de plans.png
[Lien]

pour bois 3mm

Code
Icones de code.png
[Lien]

allez vers le site Github

Notice
Icone de notice.png
montage du capteur

(En cours de rédaction)

Montage

Prérequis :

  • Téléchargez les plans de découpe (ci-dessus), puis, avec une découpeuse laser, sortez l'ensemble des pièces nécessaire au montage du capteur CO2.
  • Pour ce tutoriel, soudez l'ensemble des broches du Senseair S8 du "côté intérieur" de manière à ce que les broches remontent le long de sa partie boitier comme sur le schéma ci-après :

Sens de soudure - capteur CO2 labfab.jpg

Montage du boitier :

CapteurCO2 Labfab étape A.jpg Étape 1

Rassemblez les éléments électroniques et les pièces découpées au laser ensemble.

CapteurCO2 Labfab étape B.jpg Étape 2

Emboîtez les deux pièces interne B sur la pièce interne A.

CapteurCO2 Labfab étape C.jpg Étape 3

Emboîtez l'ensemble des pièces internes à la pièce du dessous.

🔍 Note : La partie haute de l'ensemble interne doit se trouver du côté USB. La partie basse doit se trouver du côté CO2.

CapteurCO2 Labfab étape D.jpg Étape 4

Placez le capteur CO2 dans l'ensemble interne.

🔍 Note : Les broches doivent ressortir vers l’intérieur du montage.

CapteurCO2 Labfab étape E.jpg Étape 5

1. Branchez les câbles Dupont sur le capteur :

- Branchez le câble + (en rouge sur l'illustration) sur G+.

- Branchez le câble - (en noir sur l'illustration) sur Go.

2. Passez les jumpers (câbles Dupont) dans les petits trous de part et d'autre de la pièce de dessous.

CapteurCO2 Labfab étape F.jpg Etape 6

1. Passez à nouveau les câbles Dupont dans le trou large central (celui avec des annotations).

2. Branchez enfin les câbles Dupont sur l'Atom Matrix :

- Branchez le câble + (en rouge sur l'illustration) sur 5v.

- Branchez le câble - (en noir sur l'illustration) sur G.

Attention : En cas d'inversion votre capteur sera "grillé".

CapteurCO2 Labfab étape G.jpg Étape 7

1. Placez l'Atom Matrix dans son emplacement.

2. Posez la pièce du dessus sur l'Atom Matrix.

CapteurCO2 Labfab étape H.jpg Étape 8

Clipsez les 8 entretoises autour du capteur.

CapteurCO2 Labfab étape I.jpg Étape 9

Vérifiez une dernière fois les branchements.

CapteurCO2 Labfab étape J.jpg Étape 10

Branchez votre capteur via USB :

- Sur un ordinateur, pour programmation ou usage simple ;

- À l'alimentation, pour l'utiliser directement.

Programmation

Prérequis : téléchargez le code du capteur CO2 sur github. Les fichiers nécessaires au téléversement sur la carte M5 Atom Matrix sont les fichiers dans le dossier M5Stack-Atom.

Installer Arduino

Télécharger et installez l'IDE Arduino. C'est un logiciel de programmation qui va permettre de téléverser le programme sur la carte M5 ATom Matrix.

Brancher la carte M5 Atom Matrix sur l'ordinateur par le câble USB.

Démarrer Arduino.

Gestionnaire de cartes supplémentaires

Par défaut, l'IDE Arduino ne sait pas reconnaître la carte M5 Atom Matrix. Pour que ce soit possible, il faut ajouter une adresse web dans un champ, accessible par le menu Fichier > Préférences.

Arduino - Préférences.png

L'URL à rajouter dans le champ de cartes supplémentaires est :

https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json

Ajouter la reconnaissance des cartes M5Stack

Grâce à l'étape précédente, il est possible maintenant d'ajouter la reconnaissance des cartes M5Stack par le menu Outils > Type de carte > Gestionnaire de cartes.

Le gestionnaire de cartes s'ouvre, il faut alors taper dans le champ de recherche "esp32" puis sur le bouton Installer.

Si la recherche "esp32" ne donne rien, il faut fermer et redémarrer Arduino : il est possible que l'étape précédente de rajout d'url n'ait pas encore été prise en compte.

Esp32 gestionnaireCartes.png

Ajouter la bibliothèque M5Atom

Pour que le programme puisse utiliser les fonctionnalités spécifiques de la carte M5 Atom Matrix, il faut rajouter une bibliothèque, par le menu Croquis > Inclure une bibliothèque > Gérer les bibliothèques.

Le gestionnaire de bibliothèques s'ouvre, il faut alors taper dans le champ de recherche "M5Atom" puis sur le bouton Installer.

M5Atom bibliotheque.png

Une fenêtre s'ouvre proposant toutes les bibliothèques associées à M5Atom. Il est possible de choisir "install all". Si vous préférez installer seulement le nécessaire, vous pouvez choisir "Install M5Atom only" mais il va ensuite falloir répéter l'opération pour ajouter également la bibliothèque "FastLED".

Le logiciel Arduino est maintenant bien configuré pour pouvoir envoyer le programme dans la carte M5Atom.

Téléversement du programme

Fichier > Ouvrir pour aller chercher le fichier "M5Stack-Atom.ino" téléchargé depuis Github.

Choisir le bon port COM par le menu Outils > Port > COM6 (choisir le numéro de port le plus élevé, qui correspond la plupart du temps à la carte branchée en USB).

Choisir la bonne carte par le menu Outils > Type de carte > ESP32 Arduino > M5Stack-ATOM

Cliquer sur le bouton de téléversement.

Televerser.png

Le téléversement prend un peu de temps. En bas à droite, une barre de défilement se remplit en vert. Quand c'est terminé, du texte va défiler sur fond noir tout en bas de la fenêtre : attendre la fin de défilement du texte. Les leds de la carte M5 Atom Matrix doivent s'allumer quand c'est fini. Le capteur est alors fonctionnel.

Envoi de la donnée sur un serveur

Cette fonctionnalité est en cours de développement. Les données envoyées par le capteur de développement situé à l'espace numérique de la Maison de Quartier La Touche sont consultables à cette adresse : https://thingspeak.com/channels/1601344/charts/1

Utilisation

Signification des LED

Couleur de la LED Signification Résolution
Blanche Le capteur CO2 récupère les premières valeurs. Patientez quelques secondes.

La couleur des LED changent en fonction du seuil de concentration de CO2.

Rouge - Clignote In problème de branchement. Consultez le schéma de branchement des câbles Dupont.
Orange - Clignote La procédure de calibration se lance. Si vous n'avez pas configuré la procédure de calibrage :
  1. débranchez le câble USB-C de l'alimentation du capteur CO2.
  2. Appuyez sur l'écran de LED pour vérifier que le bouton intégré fonctionne.

Résultat : un clic retentit.

Alimentation

L'alimentation du capteur se fait par un câble USB-C, et nécessite du 5V. Ainsi, le câble peut être alimenté par le port USB d'un ordinateur, par un chargeur de téléphone portable, ou par n'importe quelle alimentation 5V stabilisée. La consommation en pic de l'ensemble de l'électronique peut monter jusqu'à 800mA, il est donc conseillé d'avoir une alimentation supérieure à 800mA (la plupart des chargeurs de téléphone conviennent).

Calibration

Il est important que le capteur soit bien calibré, pour assurer une fiabilité des valeurs. La procédure de calibration consiste à placer le capteur à l'air extérieur : celui-ci a une concentration de CO2 d'environ 400ppm et servira de référence pour le capteur.

  1. Placez le capteur en extérieur : vous aurez certainement besoin d'une rallonge électrique, ou d'une batterie externe pour alimenter le capteur en électricité.
  2. Attendez quelques minutes que la valeur se stabilise.
  3. Faites un appui long (3s) sur le panneau de leds : sous ce panneau se cache un bouton. Les LED se mettent alors à clignoter en orange, ce qui indique le lancement de la procédure de calibration
  4. Attendez la fin du clignotement : cela peut durer plusieurs minutes.
  5. Les LED passent au vert, le capteur est maintenant prêt à être placé en intérieur. Vous pouvez débrancher l'alimentation, la calibration reste mémorisée même quand le capteur est éteint.

Placement du capteur

Où placer un détecteur de CO2 ?

  • si possible au milieu de la pièce
  • à environ 1,5m de hauteur
  • éloigné le plus possible du souffle direct des personnes
  • éloigné des portes, des fenêtres ou des grilles d'aération

Ces conseils sont issus de la documentation publiée par nousaerons.fr : http://nousaerons.fr/documents/fiches_aeration_mesure_co2_nousaerons_v1-3.pdf, page 13

Références

  1. Plus d'informations sur le lien entre la concentration de CO2 et le besoin d'aération d'une pièce : fiche pratique de nousaerons.fr