Mesure de la qualité de l'air extérieur

Mesure de la qualité de l'air extérieur

Il n'existe pas de capteur magique capable de mesurer la qualité de l'air dans toutes les conditions: pour chaque environnement, il faut choisir des capteurs adaptés. Nous avons déjà abordé dans ce blog quelques manières d'évaluer la qualité de l'air à intérieur, en particulier pour détecter l'air vicié par le CO2. Nous avons aussi parlé des capteurs destinés à détecter les gaz toxiques ou nauséabonds, utilisés notamment dans l'industrie. Aujourd'hui, nous abordons la mesure de la qualité de l'air extérieur, l'air que tout un chacun respire quotidiennement.


Quand on parle de la qualité de l'air que l'on respire à l'extérieur, il s'agit essentiellement de mesurer l'impact de la pollution qui pourrait être néfaste à la santé. Les principaux polluants que l'on mesure sont:

  • Les particules fines en suspension dans l'air (PM10, PM2.5, PM1), qui sont cancérigènes pour l'homme et facteur de risque cardio-vasculaire.
  • Le dioxyde d'azote (NO2), qui est très irritant pour les voies respiratoires puisqu'il produit de l'acide nitrique lorsqu'il se combine avec l'eau dans les poumons.
  • L'ozone (O3), qui est un polluant secondaire produit par l'action du soleil sur les oxydes d'azote, et peut se retransformer en NO2. Il a des effets similaires au dioxyde d'azote.
  • Le monoxyde de carbone (CO), poison même à petite dose car il empêche l'oxygénation des tissus.
  • Le dioxyde de soufre (SO2), irritant pour les voies respiratoires et les muqueuses, mais dont les émissions sont moins problématique dans les pays développés grâce aux améliorations des systèmes de chauffages et des carburants.


Station de mesure de la qualité de l'air  Instruments de mesure de la qualité de l'air
Une installation de mesure de la qualité de l'air extérieur


Mesurer les polluants de l'air


On pourrait penser que les capteurs pour mesurer ces polluants dans l'air extérieur sont semblables aux capteurs de gaz toxiques dont nous avions déjà parlé. Mais il y a une difficulté supplémentaire: comme il ne s'agit pas de détecter une exposition accidentelle au gaz, mais une exposition continue et permanente par l'air que l'on respire tous les jours, les seuils de dangerosité sont beaucoup plus bas. Il faut donc des capteurs beaucoup plus sensibles, donc beaucoup plus difficiles à réaliser.

Les stations de mesures officielles destinées à effectuer ces mesures coûtent des centaines de milliers d'Euros. Elles nécessitent aussi beaucoup d'entretien, en raison des calibrations périodiques qui doivent y être effectuées. Naturellement, il n'y en a donc pas beaucoup. Pour mieux cerner les sources de pollutions, des initiatives ont été lancées dans de nombreux pays pour créer des réseaux de mesures indicatives secondaires, qualitativement moins précises que les stations officielles, mais beaucoup plus denses et donc géographiquement plus précises. Ce sont ces capteurs indicatifs qui nous intéressent.

Trois capteurs indicatifs pour mesurer les polluants dans l'air: les PM, le NO2 et le CO
Trois capteurs indicatifs pour mesurer les polluants dans l'air: les PM, le NO2 et le CO


Pour que ces capteurs indicatifs soient utiles, il faut quand même qu'ils donnent des valeurs scientifiques. Il faut donc qu'ils retournent une mesure dans une unité physique réelle, et pas seulement un facteur de qualité abstrait. On demande aussi qu'il soient raisonnablement corrélés avec des instruments officiels. Un institut gouvernemental de Californie a mené dans ce but des tests systématiques sur différents capteurs, à l'extérieur et en laboratoire, pour vérifier quels capteurs étaient fiables comme indicateurs secondaires.

Si vous êtes intéressé à mettre en place vos propres mesures indicatives de la qualité de l'air, nous vous présentons comment mettre en oeuvre à l'aide de modules Yoctopuce trois capteurs permettant de mesurer les particules fines, le dioxyde d'azote et le monoxyde de carbone.

Le capteur de particule Alphasense OPC-N2


Nous avons sélectionné ce modèle car c'est à ce jour le seul capteur coûtant moins de 500 EUR qui soit reconnu pour donner des estimations crédibles de PM2.5 et PM10, sans calibration. Pour obtenir des mesures, il faut l'alimenter en 5V et utiliser une interface de communication de type SPI 3.3V. Vous pouvez donc le raccorder à un Yocto-SPI, en le branchant comme ceci:

Branchement du capteur Alphasense OPC-N2
Branchement du capteur Alphasense OPC-N2


Attention, notez que pour que la communication fonctionne, il est essentiel de connecter la sortie Serial Data Out (SDO) du capteur sur l'entrée Serial Data In du Yocto-SPI, et vice-versa. Car si l'on branche les deux sorties SDO l'une contre l'autre, aucune donnée ne passera sur les entrées SDI...

Pour lire les mesures, il faut encore configurer les paramètres de communication du Yocto-SPI:

Paramètres de communication SPI pour le capteur Alphasense OPC-N2
Paramètres de communication SPI pour le capteur Alphasense OPC-N2


Il ne reste qu'à définir un job automatique qui met en route le capteur automatiquement et lit les estimations de PM1, PM2.5 et PM10 à intervalles réguliers. On définit donc deux tâches:

  1. une tâche exécutée une seule fois, pour mettre en route le capteur:

    wait 2000 writeHex 03 wait 10 writeHex 00 wait 1000


  2. une tâche périodique pour lire les mesures:

    writeHex 32 wait 10 writeHex 323232323232323232323232 expect ($1:FLOAT32)($2:FLOAT32)($3:FLOAT32)


Notez que pour que ce script fonctionne, il faut impérativement que votre capteur OPC-N2 soit équipé du firmware 18 au minimum.

Le capteur Cairpol Cairsens CO UART


Nous avons choisi ce capteur car il ne demande aucune calibration ni circuit analogique supplémentaire pour être lu, et dispose d'une bonne sensibilité: 0.05 mg/m3, alors que le seuil légal d'alerte est fixé à 8 mg/m3. Il s'agit d'un capteur électrochimique, garanti pour une année de fonctionnement, mais pouvant très facilement être remplacé une fois périmé. Pour obtenir des mesures, il faut l'alimenter en 5V et utiliser une interface de communication de type série TTL 3.3V. Vous pouvez donc le raccorder à un Yocto-Serial, en le branchant comme ceci:

Branchement des capteurs Cairsens UART
Branchement des capteurs Cairsens UART


Notez que ce capteur utilise une connectique USB mini-B, mais que dans la version UART ce sont bien des signaux série TTL qui transitent sur les fils. Il vous faut donc couper un câble USB mini-B, dénuder les fils et brancher chaque fil selon sa couleur.

Pour lire les mesures, il faut configurer les niveaux électriques et les paramètres de communication du Yocto-Serial:

Paramètres de communication pour les capteurs Cairsens UART
Paramètres de communication pour les capteurs Cairsens UART


Le job de communication doit simplement demander à intervalle régulier la dernière mesure:

writeHex FF021330010203040506FFFFFFFFFFFFFFFF12AF8803 expect FF02172C010203040506................13($1:WORDL)..FF....03


Notez que pour que ce script fonctionne, il faut impérativement que votre Yocto-Serial dispose du firmware 25599 au minimum, en raison du décodage de la valeur en little-endian. La valeur retournée par le capteur est mesurée en ppb, on va donc la convertir en mg/m3 dans les paramètres du genericSensor1 par une simple correspondance linéaire:

Conversion de ppb CO en mg/m3
Conversion de ppb CO en mg/m3



Le capteur Cairpol Cairsens NO2 UART


Nous avons choisi ce capteur pour les mêmes raisons que pour le capteur précédent. Sa sensibilité est de 13 ug/m3, alors que le seuil légal d'alerte est fixée à 80 ug/m3. Le schéma de raccordement au Yocto-Serial et les paramètres de communication sont les mêmes que pour le Cairsens CO UART. Par contre, le job de communication est légèrement différent, car ce capteur retourne une valeur sur un seul octet:

writeHex FF021330010203040506FFFFFFFFFFFFFFFF12AF8803 expect FF02162C010203040506................13($1:BYTE)..FF....03


La valeur retournée par le capteur est mesurée en ppb, on va donc la convertir en ug/m3 dans les paramètres du genericSensor1 par une correspondance linéaire:

Conversion de ppb NO2 en ug/m3
Conversion de ppb NO2 en ug/m3



Envoyer les mesures de qualité de l'air à travers un réseau GSM


Si notre but n'était que de lire ces capteurs par USB, nous aurions pu utiliser directement la version USB des capteur CairSens. Mais grâce au fait que ces trois capteurs sont connectés à des modules Yoctopuce, nous ne sommes pas limités à les utiliser via une connexion USB. Nous pouvons les brancher directement à un YoctoHub-GSM-3G-EU pour que les mesures soient automatiquement envoyées sur le serveur de notre choix à travers un réseau cellulaire 3G.

Envoi des mesures de qualité de l'air à travers le réseau cellulaire 3G
Envoi des mesures de qualité de l'air à travers le réseau cellulaire 3G



Le tout tient dans une petite boîte de protection métallique, provenant elle aussi de Cairpol, à laquelle nous n'avons eu qu'à rajouter quelques trous de fixation:


Vue intérieure (par dessus)   Vue intérieure (par dessous)
Notre mini station de surveillance de la qualité de l'air
Notre mini station de mesure indicative de la qualité de l'air avec transmission GSM intégrée


Il ne nous reste plus qu'à installer cette petite boîte à proximité d'une station de référence pour faire notre propre vérification de la qualité des estimations...

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