L'objectif de cet atelier est la construction de capteurs mobiles autonome (pas de portable, pas besoin de wifi, etc.) de qualité de l'air permettant la mesure des concentrations en particules fines dans l'air par les participants sur des itinéraires variés. L'atelier peut être suivi par des participants individuels ou en binôme. Pour un atelier d'une dizaine de personnes, prévoir 2 médiateurs.

Un écran de TV ou un écran + vidéo projecteur avec connectique HDMI pour le raccordement à l'ordinateur de l'animateur + par station à monter:

• ordinateur (portable) avec le logiciel arduino installé et configuré avec les bibliothèques nécessaire à la compilation du code de la station (voir le github).
• carte arduino méga
• shield grove mega
• GPS grove
• capteur température et humidité DHT22 grove
• module carte microSD
• écran OLED grove
• cables grove-dupont F pour connecter le capteur de particules fines au shield grove
• capteur de particules fines (N;B. on peut trouver moins cher en Chine, ne pas oublier de prendre un adaptateur pour pouvoir le connecter sur des cables dupont).
• boitier adapté (l'imprimer en 3D ou le découper à la laser ou bien acheter un boitier quelconque et adapter)

Au moment de l'accueil, on peut faire circuler un petit questionnaire amont qui permettra de connaître les raisons qui ont motivé les participants à participer à l'atelier, d'évaluer leur sensibilité aux questions environnementales et à la pollution atmosphérique en particulier, leurs connaissances générales, est-ce qu'ils s'informent, par quels moyens, etc. Il faut que ça reste court.

L'atelier commence par un présentation du projet et du collectif AirCitizen, en se référant au site aircitizen.org. On peut parcourir rapidement le site et introduire le wiki, le github et les réseaux sociaux pour suivre les actualités. Pour faire court, AirCitizen cherche à donner la possibilité aux citoyens participants de mieux connaître la qualité de l'air qu'ils respirent en fabriquant un capteur et en réalisant des mesures. AiCitizen développe des outils et accompagnent les personnes qui souhaiteraient contribuer au projet en partageant ces mesures.
Il est bon de prendre un temps pour faire un tour de table (le deuxième animateur peut prendre des notes) en demandant aux participants de se présenter (un prénom suffit), de dire ce qu'ils font dans la vie et pourquoi ils sont là.

Un diapositive rappelle quelques généralités sur les polluants atmosphériques. Les gaz (dioxyde d'azote et ozone (surtout l'été)) et les particules fines, leurs origines et le fait que même si on en parle de plus en plus, les données sur le temps montrent que la pollution baisse. L'exemple du cheveu permet de se rendre compte des tailles et explique pourquoi on a besoin de capteurs pour “voir” les particules fines.

On introduit ensuite les capteurs optiques de particules fines (on ne parle pas des capteurs de gaz qui pour le moment sont trop chers pour être acheté/utilisé par des particuliers et posent des problèmes de dérive, d'interférences). Le phénomène physique qui permet de détecter les particules est la diffusion de Mie: lorsqu'on envoie de la lumière (un faisceau laser par exemple) sur des particules micrométriques, celles-ci “dévient” ou mieux ré-émettent de la lumière dans toutes les directions (on par le diffusion). L'intensité diffusée dépend de la taille des particules diffusantes. Ainsi, en plaçant un détecteur faisant un angle précis avec le faisceau de lumière originel, on peut voir de pic d'intensité diffusé lorsque les particules passent dans le faisceau devant le détecteur. L'analyse du signal est faîte par un programme dans un microcontroleur (sorte de micro-ordinateur primitif) intégré dans le capteur qui délivre des concentrations en ug/m3 pour les particules fines PM10, PM2.5.

On introduit ensuite la plateforme arduino en utilisant des termes simples. Le coeur de la station à assembler est un microcontrôleur qui joue en quelque sorte le rôle de cerveau qui va être capable de parler aux et d'écouter les différents composants (en utilisant un langage approprié regroupé dans une bibliothèque) : les capteurs, l'afficheur, le lecteur/enregistreur de carte microSD, etc, et de réaliser des fonctions. Ce “cerveau”, tout comme les composants a besoin d'énergie qui va être fourni par une batterie. Le cerveau est ici la carte Arduino MEGA et pour simplifier le raccordement des différents éléments de la station on lui associe un “shield” grove avec ces connecteurs blancs caractéristiques qui va permet de brancher sans se tromper de sens (grâce au détrompeur) les éléments grâce aux câbles grove (noir pour la masse, qui serait le moins sur une pile, rouge pour la tension d'alimentation Vcc, 5 Volts, qui serait le plus sur une pile, jaune et blanc pour les signaux qui transiter dans une sens ou dans l'autre : entrées/sorties). Pour que le “cerveau” réalise une fonction, il faut écrire un programme dans le logiciel Arduino IDE et téléverser ce programme vers la carte arduino.

Pour rendre plus concret ce qui précède, on commence rapidement avec un exemple pratique: la réalisation d'un thermomètre (qui mesure en plus l'humidité relative) avec le capteur température et humidité DHT22 grove. Le programme de test est rappelé ci-dessous. L'animateur décrit le programme schématiquement. D'abord l'inclusion #include de bibliothèques (le langage commun) et la définition #define de constantes (ici le type de capteur et le numéro du connecteur auquel le capteur est connecté). Ensuite, le block setup qui n'est exécuté qu'une fois et sert à initialiser ici le canal de communication Serial qui permettra à la carte arduino de transmettre des informations à l'ordinateur via le câble USB. Puis la boucle loop répétée indéfiniment dans laquelle on lit la température, l'humidité relative et on affiche via le canal Serial avec une instruction print les valeurs qui peut être lue en utilisant le moniteur série, (via la barre de menu ou en cliquant sur la petit loupe).

#include "DHT.h"

dht DHT; // the sensor 

#define DHT22_PIN 2 // connected on D2 on Arduino Mega

#define DHTTYPE DHT22   // DHT 22  (AM2302)

void setup() 
{
    Serial.begin(9600); 
    Serial.println("DHTxx test!");
}

void loop() 
{
    int chk = DHT.read22(DHT22_PIN);
    float h =  DHT.humidity;
    float t = DHT.temperature;

    // check if returns are valid, if they are NaN (not a number) then something went wrong!
    if (isnan(t) || isnan(h)) 
    {
        Serial.println("Failed to read from DHT");
    } 
    else 
    {
        Serial.print("Humidity: "); 
        Serial.print(h);
        Serial.print(" %\t");
        Serial.print("Temperature: "); 
        Serial.print(t);
        Serial.println(" *C");
    }
}

L'animateur invite les participants à téléverser (en utilisant la barre de menu ou l'icône flèche) le programme dans la carte après voir vérifié le type de carte (arudino MEGA) et le port (COMXX par exemple). Les participants peuvent ensuite ouvrir le moniteur série et visualiser la température et l'humidité relative de leur capteur. On peut prendre le capteur dans la main, souffler dessus, etc. et voir qu'il répond.

Cette première étape pratique permet de poser les bases, le reste peut aller ensuite très vite. On passe en revue chaque élément, on branche, et si le temps le permet on téléverse un code exemple. A minima, brancher le capteur de particules fines, téléverser l'exemple et utiliser une allumette pour vérifier qu'il répond correctement. Les valeurs sont assez élevées avec ce type de sources ce qui surprend souvent les participants. Peut suivre des questions sur les valeurs de concentrations en ug/m3 et les normes. Il faut alors bien insister sur le fait que ces capteurs “low cost” ne donne pas des valeurs absolues garanties comme les instruments que l'on trouve en station AASQA (Airparif par exemple) ou dans les laboratoires. En revanche, on peut voir des contrastes dans l'espace et dans le temps qui ont un sens.

Après avoir branché et testé un par un tous les éléments, on peut téléverser le programme final et vérifier que la station fonctionne bien. On peut ensuite insérer la station dans sa boîte. Cette étape n'est pas forcément la plus simple. Il y a beaucoup de fils (c'est l'inconvénient du kit avec des éléments génériques) et il y a certainement un agencement optimal et un méthode permettant de l'atteindre mais nous ne l'avons pas encore trouvé. Attention à ne pas casser les petits fils Dupont qui relient le lecteur/enregistreur de carte microSD à la carte arduino. D'autres boîtiers sont possibles, nous en avons expérimenté quelques uns au fablab du Dôme a Caen. N'hésitez à partager le votre !

diapositives de l'ateliers au format pdf