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Comment créer un système de surveillance de qualitée d'air? (Projet Pollubike, par l'atelier scientifique de Vilgénis)

Par Victor SUEUR le 20/04/2020

Contexte

Quelques ordres de grandeur pour commencer...

  • Aujourd’hui, 50% de la population mondiale vit dans les villes.

  • Il est prévu qu’en 2050, ce pourcentage atteigne 70%.

  • 2% de la surface terrestre est occupée par les villes

  • Ces 2% produisent 80% des émissions de gaz à effet de serre

Une idée pour agir?

Faire prendre conscience aux citadins que la pollution est présente dans leur environnement peut contribuer à donner plus de sens au développement durable. C’est dans cette optique que le projet «Pollubike» a vu le jour.

Problématique :

Comment développer un concept simple, fiable et participatif pour connaître les zones les moins polluées de la ville ?

Pollubike, c’est tout un projet !

Il reprend les bases classiques des détecteurs de pollution en y alliant de nouvelles technologies et un travail en collaboration avec LabInnovation Ericsson France et la Mairie de Massy. L’objectif de celui-ci consiste à mettre en ligne le taux de pollution à un endroit précis de la ville (deMassy) en temps réel.

Comment réaliser ce projet ?

5 grandes étapes de la réalisation du projet :

1. Déterminer les contenants les plus adaptés pour le Pollubike: une batterie, une carte programmable (micro:bit, Arduino), un capteur de particules fines, une antenne LTE

2. Développer un programme pour la carte Arduino

3. Chercher un boîtier «idéal»: recherche d’un boîtier pratique et esthétique

4. Informer de la qualité de l’air sur Massy : aboutir à un site avec la carte de la ville pour afficher les données sous forme de pastilles de couleurs. Ces étapes sont itératives, nécessitent plusieurs essais, plusieurs modifications, qui permettent une amélioration des travaux de semaines en semaines

1. Les composants adaptés

La carte programmable microbit: Nous utilisons une carte microbit avec un adaptateur (shield) pour réaliser des mesures à l’aide d’un détecteur de particules fines (DSM). Cela fonctionne très bien, mais cela prend beaucoup de place, il faut trouver une alternative.

Le microcontrôleur Arduino: La carte Arduino est beaucoup plus adaptée, elle a une puissance plus grande et elle prend moins de place. Nous changeons donc notre carte microbit par celle-ci, ce qui optimise la place dans le boîtier

Le module de charge: Nous avons observé que lorsque l’alimentation 5V du régulateur/chargeur était branchée à l’entrée Vin de la carte Arduino, 1V était perdu par le régulateur interne de la carte Arduino (LM7805)

2 solutions trouvées :

  1. Pour palier la perte : nous branchons l’alimentation directement sur l’entrée 5V de la carte Arduino.

  2. Pour améliorer la fiabilité : nous filtrons l’alimentation grâce à 2 condensateurs

Le détecteur de particules fines: Nous voulions utiliser un détecteur de Nox mais il a besoin d’un temps de chauffe avant de pouvoir récolter des données représentatives. Nous avons donc décidé d’utiliser des détecteurs pm1 etpm2.5 qui n’ont pas ce problème.

Les antennes: Nous avons mis l’antenne LTE et l’antenne GPS à l’écart des autres composants pour obtenir de meilleurs résultats. Nous avons égalementre positionné l’antenne face à la paroi du boîtier pour que les données se transmettent sans encombre.

Antenne LTE Antenne LTE Antenne GPS Antenne GPS

Premier montage réussi

Premier montage réussi Premier montage réussi. Montage avec un détecteur de Nox, une carte SD, une carte Arduino et une batterie.

Circuit actuel Circuit actuel

2. Développement du programme

Dans un premier temps, nous définissons les bibliothèques, les entrées et sorties, ainsi que les variables. La fonction setup permet de démarrer l’ensemble du circuit.

La fonction Loop contient la majorité du code comme la localisation GPS, la mesure de la pollution, la conversion des données du DSM en μg, etc...

La fin du code nous permet d’envoyer les données au serveur.

3. Recherche du boîtier «idéal»

Premiers modèles: Ces propositions étaient intéressantes mais ne répondaient pas aux critères esthétiques. Nous avons donc crééc (avec Ericsson) un premier boîtier avec le côté esthétique (en forme de nuage). Cependant, il prend beaucoup de place et n’est donc pas adapté aux vélos. Nous devons donc réduire le volume en enlevant certaines pièces ou les remplacer par des pièces plus petites. Une fois les composants déterminés, nous les avons positionné les uns par rapport aux autres pour que l’ensemble soit fonctionnel et prenne le moins de place possible. Le boîtier a été conçu pour répondre à ces critères.

4. Informer de la qualité de l’air sur Massy

Vers la création d’un site : la page PHP

Les données, une fois récupérées par le boîtier, sont transférées à un serveur, qui, lui, les affiche sur le site internet de Pollubike où elles sont à disposition de tous. Sur ce site s’affiche un fond de carte de la ville de Massy où un ordre de grandeur de particules fines (>1μ ou>2,5μ) est affiché sous forme de pastilles de couleurs (de vert à rouge selon l’échelle Airparif aux différents endroits où est passé le vélo portant le boîtier Pollubike).

Base de données et serveur

Les données de nos Pollubikes sont envoyées sur un serveur de notre partenaire Lab Innovation Ericsson. Ce sont des données SQL que nous exploiterons après et que nous visualiserons sur une carte.

Le fond de carte

Nous voulions utiliser un fond de carte Google Map, mais il était payant. Nous avons donc cherché un moyen de remédier à cette contrainte. Nous utilisons aujourd’hui un fond de carte OpenStreet Map et celui-ci est open source et gratuit. premier essais réussi avec OpenStreet Map

Sur OpenStreet Map, notre travail est composé de trois parties: 1) Requête Javascript sur un fichier php 2) Réponse du serveur formatée en JSON 3) Exploitation des données reçues (on ajoute les points sur la carte)

De manière plus technique, on initialise la carte dans un fichier javascript, puis on récupère un tableau de points avec les valeurs de latitudes ,longitudes, pm10 et pm25 contenues dans la base de données, encodé en JSON. Ensuite on ajoute tous les points du tableau sur la carte.

5. Phases de test

Nous avons allumé notre Pollubike un certains nombre de fois par jour et observé combien de fois il marchait (récolte des données, les renvoie au serveur, ces données s’affichent sur le serveur, etc...). Avec les premiers résultats de cette expérience, nous avons construit ces graphique.

Nous avons récolté aujourd’hui plus de 20000 données, ce qui nous permet de faire beaucoup de tests différents.

Nous avons aussi comparé les données de nos Pollubikes entre eux sur un même trajet au même moment. Ci-dessous les données du 22 février entre un Pollubike VAE et un Pollubike classique.

Cohérence des résultats

Lorsque les températures sont proches de 0°C, la quantité de particules fines est élevée ; lorsqu’elle passe au dessus de 5°C, elle baisse.De même en été au dessus de 30°C, la quantité de particules fines augmente.

Modifications apportées suite aux tests

Les expériences nous ont révélé de nombreux problèmes et pour les régler, nous avons dû changer le programme Arduino, l’organisation des composants dans le boîtier. L’ajout d’un condensateur, l’isolement des cartes GSM et LTE déjà évoqués sont également le résultat de nos différents tests

Aujourd’hui

Après de nombreux changements et tests, notre Pollubike est bien plus performant. Nous avons réalisé six boîtiers Pollubike et continuons à faire de nouvelles expériences pour l’améliorer davantage!

Demain

Nous avons pour objectif de faire circuler une centaine de vélos équipés du boîtier Pollubike dans la ville de Massy. Nous avons maintenant besoin de savoir à quelle fréquence la page internet doit s’actualiser. Pour cela, nous avons réalisé une modélisation Python du déplacement de cent Pollubike.

Conclusion

Notre problématique est donc résolue avec succès: nous avons un détecteur de pollution mobile grâce aux vélos, qui nous permet de voir en temps réel, la quantité de particules fines à travers la ville. Nous pouvons désormais nous balader dans des lieux peu pollués, et bien respirer à Massy!

Ce qu’il nous reste à faire pour aller plus loin: 1) Remplacer une partie de l’électronique par une carte PCB. Cela nous permettra de connaître le coût d’un Pollubike de cette technologie (possible passage de 70€ à 40€). 2) Chercher des financements et des associations qui pourront gérer la suite du Pollubike. C’est la raison pour la quelle nous travaillons avec les associations ville de Massy! Par ailleurs, plusieurs municipalité sont déjà demandé s’ils auraient le droit d’utiliser Pollubike.

Vous pouvez retrouver l'avancée de leurs traveaux sur leur site, sur twitter: @atsvilgenis, sur facebook: atelier scientifique vilgenis, et sur instagram: atelierscientifiquevilgenis


Commentaires

  • person
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