Plan interactif de la qualité de l'air - 1ère partie : Création des cellules

Dans cet article, je vais essayer de comprendre comment les cellules individuelles du Plan interactif de la qualité de l'air seront construites.

Le matériel et les méthodes de construction présentés dans cet article ne sont pas définitifs. j'essaierai simplement de comprendre certains des aspects techniques du grand projet de Plan interactif de la qualité de l'air.

Il y a deux caractéristiques principales des cellules qui composeront le plan, la première est la détection de proximité. Pour rester dans l'allure artistique du projet et sa nature interactive proposée, je pense que ce sera vraiment cool d'avoir les zones sur le Plan qui seront activées par la proximité, par opposition aux interactions de contact sur quelque chose comme un bouton. Aussi, ne pas avoir à toucher physiquement le plan est potentiellement plus sûr, compte tenu des temps COVID dans lesquels nous nous trouvons actuellement.

Comment détecter la proximité à partir des mains ?

Les options que j'ai considérées pour cela sont la détection de proximité optique et la détection de proximité capacitive. Les capteurs de proximité optiques sont généralement idéaux pour détecter des objets opaques, et ils ont généralement une plus grande portée de détection. La deuxième option que j'ai considérée est la détection de proximité capacitive. Cette technologie de détection peut être utilisée pour détecter les corps conducteurs, les corps qui auront un effet sur la capacitance du capteur avec la terre. La détection capacitive a une portée beaucoup plus courte, généralement de moins de 10 centimètres. Après quelques essais préliminaires, j'ai décidé d'aller avec la détection de proximité capacitive. Mon choix aura du sens plus loin dans l'article.

La deuxième caractéristique que les cellules doivent avoir est la capacité de changer leur couleur pour indiquer les niveaux actuels de qualité de l'air dans les zones qu'elles représentent. C'est évidemment un travail pour des LED adressables ; mais pour faire un Plan de la qualité de l'air qui ne soit pas seulement fonctionnel mais aussi visuellement agréable, il est important de rendre l'éclairage de la carte aussi doux (diffus) que possible, ce qui, nous l'espérons, rendra le Plan un peu plus accessible.

Pour obtenir un éclairage doux à partir d'un réseau LED, l'option la plus simple est de placer une feuille de diffusion devant. Selon le degré de réfraction de la feuille, vous devrez généralement placer la feuille à une distance significative des LED pour obtenir l'éclairage doux et uniforme requis. Cette distance est importante comme je l'illustrerai plus tard.

Une feuille de diffusion à environ 40 mm de quelques LED

Une deuxième méthode pour obtenir un éclairage doux à partir de LED (et qui n'est pas aussi répandue) est de reproduire la technologie d'éclairage des bords utilisée dans la plupart des écrans LCD. C'est une astuce que j'ai apprise de DIY Perks sur YouTube.

Si vous avez déjà démonté l'écran LCD d'un ordinateur portable, vous trouverez un sandwich de différentes feuilles de matériau qui permet d'obtenir l'éclairage uniforme qui rétroéclaire les images produites sur l'écran LCD.

La première couche est généralement une feuille blanche réfléchissante qui fournit également une couleur de base neutre pour le rétroéclairage. Cette couche est généralement suivie d'un guide de lumière conique en plastique PMMA. Ce guide de lumière aura une de ses faces remplie de points espacés de façon irrégulière, et il est généralement éclairé par son côté épais, par un tube fluorescent fin. La couche suivante qui suit le guide de lumière est généralement une feuille de diffusion qui mélange les points de lumière produits par le guide de lumière, et sera souvent suivie d'un film d'amélioration de la luminosité (BEF), celui qui a l'air funky quand vous regardez à travers. Ils ont cet aspect parce qu'ils sont spécifiquement conçus pour créer des rayons de lumière parallèles à partir d'une source de lumière dispersée, comme la lumière produite par le guide de lumière et la couche de diffusion précédents. En termes plus simples, la couche BEF concentre la lumière vers l'avant. La combinaison de toutes ces couches produira un rétroéclairage extrêmement doux dans un ensemble très fin.

Le croquis ci-dessus est une comparaison des deux types d'éclairage doux décrits ci-dessus. L'option 1, qui est la boîte à lumière douce traditionnelle, se traduira clairement par une cellule du Plan plus épaisse, ce qui n'est pas idéal pour un capteur de proximité capacitif, car l'électrode de détection devra être placée à la base de la cellule, derrière la source de lumière, ce qui signifie qu'il faudra sacrifier une partie de la portée de proximité déjà limitée de ce type de capteurs. D'autre part, un capteur de proximité optique, qui a une portée plus longue, ne fonctionnera pas aussi bien à travers le type de feuilles de diffusion qui peut produire l'éclairage doux dont nous avons a besoin. De plus, une cellule du plan épaisse pourrait rendre le plan dans son ensemble plus volumineux, ce qui pourrait nuire à son aspect d'art mural.

L'option 2 (éclairage des bords de l'écran LCD) est en quelque sorte parfaite pour ce projet : elle produit une lumière vraiment douce, et la cellule résultante sera très fine, ce qui signifie également qu'elle convient parfaitement à un capteur de proximité capacitif, puisque l'électrode de détection peut être placée derrière les cellules du Plan avec une très faible perte de distance de détection et de sensibilité. Elle devrait également être moins compliquée à câbler. Le seul point négatif que je vois est la complexité relative d'avoir à couper et empiler plusieurs couches de cellules du Plan de forme personnalisée –mais c'est un problème que je devrai résoudre dans le futur.

Construire une cellule du Plan d'essai

La première chose que j'ai faite a été de me rendre dans un atelier local de réparation d'ordinateurs pour récupérer quelques écrans LCD d'ordinateurs portables cassés. Je vais récupérer les réflecteurs, les diffuseurs et les films d'amélioration de la luminosité, mais je ne vais pas réutiliser le guide de lumière des écrans car il est trop fin pour les LED adressables qui remplaceront les tubes fluorescents fins. Je vais fabriquer un nouveau guide de lumière à partir d'un plastique acrylique transparent de 2,4 mm d'épaisseur.

Après avoir démonté l'un des écrans pour faire apparaître les feuilles dont j'ai besoin, j'ai procédé à la modélisation d'une enceinte pour la cellule d'échantillonnage. Dans cette conception, j'ai reproduit les couches comme elles étaient sur l'écran que j'ai démonté, mais j'ai remplacé la source de lumière avec un canal pour une bande de LED tout autour des bords, et j'ai modélisé dans le guide de lumière acrylique personnalisé. Vous remarquerez également une couche de texte derrière certaines des couches de diffusion. Son but sera d'identifier les différentes zones qui seront représentées sur le Plan de qualité de l'air. J'espère que l’endroit où il sera placé cachera un peu le texte, de sorte qu'il sera seulement visible lorsque la cellule s'allumera. Il devrait également donner l'impression qu'il est intégré dans la cellule. Le tout sera maintenu ensemble dans un cadre imprimé en 3D.

Après l'impression 3D du cadre d'essai, j'ai procédé à découper le réflecteur, les diffuseurs, et le film d'amélioration de la luminosité dans la forme requise, pour le nouveau guide de lumière acrylique. Normalement le motif pointillé qui guidera la lumière à partir des bords sera fait à partir d'une découpeuse laser ou d'un CNC, mais comme je n'ai pas actuellement ces outils, je suis venu avec une solution bricolée. En utilisant un papier de verre de 38 grains, j'ai roulé un côté de la feuille acrylique en ponçant un motif de grille sur celle-ci.

Ce n'est pas la solution idéale, mais ça a marché assez bien. Je ne ferai pas ça pour le Plan final. Pour cela, j'ai un plan beaucoup plus élaboré impliquant un outil rotatif, un arbre rotatif flexible, et rendre mon imprimante 3D triste.

L'assemblage de la cellule est assez simple. J'ai installé la bande de LED autour du cadre et puis j'ai empilé les couches dans l'ordre approprié avec les côtés appropriés vers l'extérieur, la couche la plus extérieure étant une feuille de diffusion, et derrière elle, le film d'amélioration de la luminosité, suivi par une autre feuille de diffusion. Le texte que j'ai découpé dans un vinyle en fibre de carbone est la couche suivante. Le guide de lumière acrylique est derrière le texte, suivi par la feuille réfléchissante blanche. J'ai ajouté du carton fort pour fixer toutes les couches en place, avant de coller à chaud l'électrode de détection capacitive.

Le résultat est une cellule du Plan qui ne fait que 12 mm d'épaisseur, et ce uniquement parce que j'utilise une bande de LED de 10 mm. Si je passe à une bande de LED de 4 mm d'épaisseur (ce que je prévois de faire), je devrais être en mesure de réduire l'épaisseur à environ 6 mm.

Après avoir téléchargé un simple sketch Arduino sur ma carte basée sur la SAMD21, je peux confirmer que la cellule fonctionne comme prévu. La lumière est super douce et facile à regarder, et je peux également activer le capteur de proximité capacitif à environ 9 cm de la surface.

Connexion à une source de données sur la qualité de l'air

Le kit de capteurs de qualité de l'air que j'utilise est le kit de développement de capteurs environnementaux (ESDK) fourni par DesignSpark pour ce projet. Le kit fonctionne sur un Raspberry Pi et comprend un capteur de CO2, un capteur de particules, des capteurs de température et d'humidité et un capteur de COV (composés organiques volatils). Le kit fonctionne avec mosquito MQTT broker, ce qui me permet d'extraire les données du capteur à partir de n'importe quel client MQTT sur mon réseau local.

Si vous disposez du même kit, vous aurez probablement déjà accès aux documents de configuration, mais d'après mon expérience personnelle, il n'est pas toujours facile d'extraire les données du kit pour les transmettre à vos appareils clients IdO respectifs. Alors voici quelques conseils qui pourraient vous aider.

1. Utilisez le logiciel officiel raspberry pi imager pour graver l'image fournie sur la carte SD.
2. Assurez-vous que vous avez la batterie 1225 coin cell installée à l'arrière de la carte de l'écran tactile.
3. Lorsque vous insérez la carte SD dans le pi pour la première fois, vous pouvez constater que les données du capteur sont manquantes sur l'écran. C'est probablement parce que, comme moi, vous n'avez pas mis à jour le code comme recommandé par l'instruction de configuration.
   

   

Pour résoudre ce problème :

a. SSH dans le raspberry pi et entrez les lignes de commande suivantes. (Faites cela avant de personnaliser les configurations dans le fichier /boot/aq/aq.toml)

-cd aq-device

-git checkout

-git pull

-pip3 install --ignore-installed DesignSpark.ESDK

b. Vous pouvez ensuite modifier le fichier de configuration depuis le terminal avec :

-sudo nano /boot/aq/aq.toml

1. Pour configurer votre kit afin qu'il se connecte à votre réseau wifi :

Depuis le terminal, entrez la commande « sudo raspi-config » et suivez ensuite l'invite pour ajouter votre réseau wifi.

1. Une fois que vous avez réussi à configurer le kit et que vous pouvez voir les données du capteur sur l'écran, vous pouvez constater que d'autres clients MQTT sur votre réseau local sont incapables de se connecter au serveur. Il suffit d'entrer la commande dans le terminal « sudo nano /etc/mosquitto/mosquitto.conf » et ajouter les lignes suivantes :

listener 1883

allow_anonymous true

Ceci permettra à tous les clients MQTT de se connecter sans authentification, mais si vous souhaitez ajouter une authentification ou autoriser seulement certaines adresses IP à se connecter, consultez les instructions.

 

Ma configuration d'essai.

Pour obtenir les lectures du capteur du kit jusqu'à la cellule du plan contrôlée par un Arduino, j'ai une carte ESP32 comme client MQTT. Elle est connectée à mon réseau Wi-Fi et également connectée au broker MQTT sur le raspberry pi, ce qui me permet de recevoir les données du capteur du kit. Les données sont ensuite transmises par série à la carte wemos samd21 qui contrôle les LED sur la cellule du Plan et exécute le code de détection de proximité capacitive. Vous pouvez trouver le code des deux cartes ci-dessous.

Comme je l'ai mentionné plus tôt, le kit fournit des données provenant d'un certain nombre de capteurs, mais pour ce test, j'ai simplement configuré mon code pour répondre au niveau de CO2 seul. Dans le futur, je prévois d'implémenter un moyen de passer par tous les points de données du kit.

Dans le prochain article, j'examinerai comment transformer l'ESDK en un enregistreur mobile de la qualité de l'air.

In the next article, I will look at making the ESDK into a mobile air quality logger.