Objectifs scientifiques
L’acquisition, le traitement, et l’exploitation des données d’observation de l’environnement sont notamment au cœur des enjeux d’accélération de la transition écologique. Or, depuis une dizaine d’années, on observe un double développement : d’une part, celui d’une nouvelle gamme d’instruments, de petite taille, nomades et relativement bon marché, regroupés sous l’appellation générique de « microcapteurs » et, d’autre part, celui des projets de sciences participatives permettant d’associer des citoyens non-experts à la production de connaissances scientifiques.
Cependant, il existe aujourd’hui peu d’échange, partage, diffusion, sur ces projets de sciences participatives, au moins dans le périmètre de l’INSU. Un portail pour partager expériences et informations est en cours de construction (https://caspa.fr/) mais le développement de capteurs reste problématique et avec des résultats assez mitigés car il nécessite des compétences très diverses (électronique, mécanique, informatique, chimie de l’atmosphère, expérience utilisateur…) qui ne sont pas toujours présentes de manières synchrone dans une même équipe.
Il y a un besoin assez large d’un capteur (ou plutôt d’une plateforme) individuel connecté « universel » qui puisse héberger différents composants (mesure de température, de son, de polluants, …) modulable suivant les projets, évolutif pour pouvoir intégrer de nouveaux composants, ou les changer suivant le besoin. Dit autrement, ce capteur pourrait être une «plateforme » au service d’utilisateurs scientifiques dont la configuration serait modulable, et dont les outils de base (boîtier, alimentation, carte informatique qui pilote le tout, transfert de données …) seraient développés (et industrialisé) à un niveau national. La plateforme et les outils seraient améliorés au fur et à mesure des projets, le tout étant open source pour bénéficier également d’autres développements notamment à l’international.
Cette proposition est la continuité du projet initié en 2021 pour le co-développement d’une plateforme de micro-capteur utile à plusieurs groupes scientifiques. Un état des lieux avec un descriptif des besoins ainsi qu’un cahier des charges est en cours de finalisation avec l’aide de la DT-INSU. La suite du projet proposé ici porte sur le développement de la plateforme de capteur.
Description technique
Il s’agit d’une demande d’aide pour la réalisation de la plateforme de micro-capteurs CASPA-PICO. Un cahier des charges détaillé a été réalisé en 2021 et il a servi de base à la réalisation de la première phase en 2022, grâce au soutien du présent appel à projet. Si des plateformes de capteurs existent déjà via des projets locaux et spécifiques, la proposition qui est faite ici est de proposer le développement d’une plateforme qui réponde au besoin d’une large communauté. Nous avons consacré du temps en 2021 pour traduire le besoin techniquement avec l’aide de spécialistes de la DT, puis à démarrer la réalisation d’un premier prototype en s’appuyant sur ce qui avait été développé précédemment dans le cadre du projet MoUVie après un transfert en 2021 à la DT des plans et informations techniques.
En 2022 nous avons bien avancé avec :
- La finalisation du cahier des charges et le démarrage du développement d’un prototype amélioré.
- La prise en main par un apprenti ingénieur électronique du projet avec pour objectif de faire évoluer l’architecture μC de l’existant vers un μC plus puissant et avec plus de connectivités (Wifi, Bluetooth…).
- L’étude de solutions/faisabilité et les premiers essais de Raspberry PI, Teensy, ESP32 etc, tests de consommation, connectivité et compatibilité sous environnement Arduino.
- Sélection de l’ESP32 sous Arduino qui correspondait le mieux au cahier des charges et notamment la partie puissance de calcul et la connectivité.
- Adaptation et pré-validation logicielle des fonctions au nouveau μC (liaison avec les capteurs intégrés/non-intégrés, enregistrement, affichage, etc).
- Travail de définition LATMOS/DT sur le sujet de projet des étudiants de PolyTech Paris Sorbonne. Réunion mi-février pour rediscuter des attendus sur le socle de recharge avec fourniture d’ESP32 et divers composants.
- Réalisation par les étudiants du socle de recharge CASPA-PICO : interactions avec le capteur, transfert de données par Bluetooth, chargement batterie du capteur par connecteur USB-C.
- Dans le cadre d’un projet AERIS : envoi des données du socle via Ethernet ou WiFi au serveur web.
- Intégration des solutions apportées sous CAO électronique Altium Designer : choix de composants, intégration des solutions techniques, ajout des empreintes et schématique, conception schéma/circuit imprimé (PCB).
En 2023 nous avons poursuivi le travail entrepris pour presque finaliser le premier prototype CASPA-PICO et mettre en œuvre des expériences de démonstration de sa versatilité pour une utilisation large et multi-thématique. En particulier :
- Pour la DT, la finalisation de la suite de logiciel embarqué qui pilote la carte mère de CASPA-PICO (avec finalisation du prototype, fabrication PCB, équipements et tests).
- En parallèle, le LATMOS a sélectionné des micro-capteurs à embarquer (via les cartes filles déjà développées) dans le prototype (quels paramètres physiques mesurés avec quels senseurs). Des tests ont été réalisés pour l’ozone.
- La DT a pu démarrer la phase de développement mécanique (boitier, fixation des micro-capteurs, etc) et produire un premier prototype imprimé en 3D.
- Une phase de test du prototype au laboratoire (sans le boîtier mécanique et le logiciel finalisé) a bien démarré dès janvier, en s‘appuyant sur le banc de test (cuve, analyseurs) du LATMOS.
- Enfin, les premières expériences de déploiement sur le terrain démontrent la nécessité de faire les mesures avec les boîtiers adaptés.
En 2024, nous proposons de finaliser un prototype duplicable et déployable pour des études scientifiques sur le terrain :
- Consolider la carte fille accueillant les capteurs de gaz et PM (en cours de développement en septembre 2023).
- Itérer sur les boîtiers mécaniques (partie cerveau et partie capteur).
- Finaliser / retoucher les logiciels embarqués en fonction des déploiements.
- Gérer le traitement des données produites, leur cheminement sur des serveurs.
- Tester dans des conditions contrôlées la mesure d’ozone, NO2, PM avec la chaîne de capteurs intégrée dans le premier prototype de boîtier.
Contact DT : Nadir Amarouche
Contact LATMOS : Sébastien Payan