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Microcontroleur Hardware / Open Source - Semestre 9

Annee academique : 2024-2025 Categorie : Electronique embarquee, IoT, Hardware Open Source

PART A - Presentation Generale

Vue d'ensemble

Ce cours, qui fait suite a la semaine de travaux pratiques au laboratoire AIME pour la fabrication d’un capteur de gaz, se concentre sur l’integration de ce capteur dans un systeme complet base sur des microcontroleurs open source. L’objectif principal est de concevoir un dispositif intelligent capable de collecter, transmettre et visualiser les donnees issues du capteur de gaz, en utilisant des technologies open source et des protocoles de communication sans fil.

Le projet couvre l’ensemble de la chaine, depuis le capteur physique jusqu’a l’application mobile, en passant par la programmation du microcontroleur, la mise en place d’un reseau LoRaWAN, la creation de tableaux de bord avec Node-RED et le developpement d’une application mobile avec MIT App Inventor.

Objectifs pedagogiques :

Outils et technologies :

Outil / Technologie Usage
Arduino UNO Microcontroleur central du systeme
Module LoRa RN2483 Communication sans fil longue portee
ChirpStack Serveur reseau LoRaWAN
Node-RED Flux de traitement et dashboard IoT
MIT App Inventor Developpement application mobile Android
KiCad Conception de circuits imprimes (PCB)
MQTT Protocole de messagerie IoT
Ecran OLED SSD1306 Affichage local des donnees (I2C)

PART B - Experience et Contexte

Environnement de travail

Ce cours s’inscrit dans la continuite du module AIME ou nous avons fabrique un capteur de gaz a base de nanoparticules de WO3. L’enjeu etait desormais de transformer ce composant en un dispositif fonctionnel et connecte, en l’integrant dans un systeme electronique complet.

Le travail s’est deroule en plusieurs phases :

  1. Cablage et integration materielle : connexion du capteur, du microcontroleur Arduino UNO, du module LoRa RN2483, de l’ecran OLED et des composants auxiliaires (LED, resistances).
  2. Programmation embarquee : developpement du firmware Arduino en langage C pour la lecture du capteur, l’affichage sur ecran OLED et la transmission des donnees via LoRa.
  3. Infrastructure reseau : configuration du serveur LoRaWAN ChirpStack et du broker MQTT pour la reception des donnees.
  4. Visualisation et supervision : creation de flux Node-RED et d’un dashboard temps reel pour surveiller les niveaux de gaz.
  5. Application mobile : developpement d’une application Android avec MIT App Inventor pour le controle et la surveillance a distance via Bluetooth.
  6. Conception PCB : initiation a KiCad pour la conception du circuit imprime du conditionneur de signal.

Ma fonction

Dans le cadre de ce projet, j’etais responsable de :

PART C - Aspects Techniques

Concepts techniques approfondis

Cette section detaille les aspects techniques de l’integration du capteur de gaz avec un microcontroleur et le developpement d’applications pour la collecte et la visualisation de donnees.

1. Plateformes microcontroleurs open source

Le projet repose sur l’utilisation d’un Arduino UNO, une plateforme open source basee sur le microcontroleur ATmega328P. Les plateformes open source telles que l’Arduino, l’ESP32 et l’ESP8266 sont au coeur de l’IoT moderne grace a leur accessibilite, leur documentation communautaire et leur ecosysteme de bibliotheques.

Caracteristiques cles de l’Arduino UNO :

Protocoles de communication utilises :

2. Capteur de gaz et interfacage

Le capteur de gaz a ete fabrique lors de la formation au laboratoire AIME. Il utilise des nanoparticules de WO3 qui permettent une haute sensibilite a des gaz specifiques comme l’ethanol et l’ammoniac. Le capteur comprend :

Broche Description
2, 4 Couche sensible (avec nanoparticules)
3, 6 Element chauffant
5, 10 Capteur de temperature
7, 9 Couche de calibration
1, 8 Non utilise

3. Cablage et integration materielle

Pour creer un systeme fonctionnel, nous avons cable les composants suivants :


Les connexions realisees sont les suivantes :

Composant Broche Arduino Protocole Detail
Capteur de gaz A0 Analogique (GPIO) Lecture ADC 10 bits
Module LoRa TX Pin 10 UART (SoftwareSerial) Transmission serie
Module LoRa RX Pin 11 UART (SoftwareSerial) Reception serie
Ecran OLED SDA A4 I2C Donnees
Ecran OLED SCL A5 I2C Horloge
LED d’alerte Pin 4 GPIO numerique Sortie ON/OFF
Alimentation LoRa 3.3V - Alimentation module
Alimentation Arduino USB - 5V via USB

4. Programmation Arduino et communication LoRa

Le code Arduino se compose de deux parties principales : l’initialisation et la transmission de donnees.

Initialisation :

Transmission de donnees :

Voici le code source utilise :

#include <TheThingsNetwork.h>
#include <TheThingsMessage.h>
#include <SoftwareSerial.h>
#include "SSD1306Ascii.h"
#include "SSD1306AsciiAvrI2c.h"

const char *appEui = "9314122f9f48664f";
const char *appKey = "77F85835964FC8C511F87CE864B96A6D";

#define I2C_ADDRESS 0x3C
#define GAZ_SENSOR_PIN A0
#define LED_PIN 4
#define freqPlan TTN_FP_EU868

SSD1306AsciiAvrI2c oled;
SoftwareSerial loraSerial(10, 11); // TX, RX
TheThingsNetwork ttn(loraSerial, Serial, freqPlan);

void setup() {
    loraSerial.begin(57600);
    Serial.begin(57600);
    while (!Serial && millis() < 10000);

    Serial.println("-- STATUS");
    ttn.showStatus();

    Serial.println("-- JOIN");
    ttn.join(appEui, appKey);

    pinMode(LED_PIN, OUTPUT);

    oled.begin(&Adafruit128x64, I2C_ADDRESS);
    oled.setFont(Adafruit5x7);
    oled.clear();
    oled.set2X();
    oled.println("Hello user1");
}

void loop() {
    Serial.println("-- LOOP");

    byte GAZ_VALUE = analogRead(GAZ_SENSOR_PIN);
    Serial.print("GAZ_VALUE: ");
    Serial.println(GAZ_VALUE);

    if (GAZ_VALUE > 100) {
        digitalWrite(LED_PIN, HIGH);
        oled.clearField(0, 2, 5);
        oled.println("HELP");
    } else {
        digitalWrite(LED_PIN, LOW);
        oled.clearField(0, 2, 5);
    }

    ttn.sendBytes(&GAZ_VALUE, 1);
    delay(10000);
}

Ce code initialise le module LoRa et le capteur de gaz, lit les donnees du capteur toutes les 10 secondes, et les transmet via LoRa. Il met egalement a jour l’ecran OLED et controle une LED en fonction du niveau de gaz detecte.

Architecture de communication sans fil :

5. Node-RED : flux IoT et dashboard temps reel

Node-RED est un outil de programmation visuelle base sur des flux (flow-based programming), particulierement adapte au prototypage rapide d’applications IoT. Dans ce projet, Node-RED a ete utilise pour recevoir, traiter et afficher les donnees du capteur LoRa.

Architecture du flux Node-RED :

Le flux se decompose en quatre etapes :

  1. Reception des donnees : Un noeud MQTT ecoute les messages entrants du reseau LoRaWAN ChirpStack. Le broker MQTT est configure pour recevoir les trames du serveur reseau.
  2. Extraction des donnees : Un noeud fonction decode les donnees encodees en Base64 et extrait la valeur du niveau de gaz.
  3. Traitement et alerte : Un second noeud fonction analyse le niveau de gaz et declenche une alerte si la valeur depasse le seuil defini (par exemple 200).
  4. Visualisation : Un noeud graphique affiche les niveaux de gaz en temps reel dans le dashboard Node-RED.


Details techniques du flux :


Le dashboard Node-RED permet une visualisation en temps reel des niveaux de gaz detectes par le capteur. Les donnees sont affichees sous forme de graphique temporel, permettant de suivre l’evolution des concentrations de gaz et d’identifier rapidement les depassements de seuils.

6. MIT App Inventor : application mobile Android

MIT App Inventor est un environnement de developpement visuel qui permet de creer des applications Android sans ecrire de code traditionnel, en utilisant une approche par blocs logiques. Dans ce projet, nous avons developpe une application mobile pour interagir avec le systeme Arduino via Bluetooth (BLE).

Fonctionnalites de l’application :


Composants cles de l’application :

L’application fournit une interface simple et intuitive pour interagir avec le systeme Arduino en temps reel, permettant a la fois le controle et la surveillance des conditions environnementales a distance.

7. Conception de circuit imprime avec KiCad

KiCad est un logiciel open source de conception de circuits imprimes (PCB). Dans le cadre de ce cours, nous avons ete inities a KiCad pour concevoir le circuit du conditionneur de signal du capteur de gaz. Cette etape permet de passer du prototype sur breadboard a un circuit imprime professionnel.

Etapes de conception :

PART D - Analyse et Reflexion

Competences et connaissances mobilisees

Ce projet a mobilise un large ensemble de competences transversales :

Auto-evaluation

Ce cours a ete une reutilisation de nombreuses competences acquises au cours de l’annee et tout au long de mes etudes d’ingenieur, notamment avec Node-RED, MQTT, le langage C et le cablage electronique. Comme je me souvenais de presque tout, je n’ai pas eu de difficulte majeure a developper le projet.

Une mention speciale pour MIT App Inventor, KiCad et ChirpStack, qui etaient des decouvertes pour moi, ajoutant de nouvelles connaissances a mon ensemble de competences. Le developpement d’une application mobile avec MIT App Inventor, bien que different de la programmation traditionnelle, m’a permis de comprendre les principes du developpement mobile et de l’interaction Bluetooth.

Je peux affirmer avec confiance que ce projet a ete mene a bien, et chaque etape que je visais a ete atteinte avec succes.

Mon avis

J’ai reellement apprecie ce cours car il impliquait de travailler sur un projet complet, depuis le composant capteur jusqu’a la creation du circuit imprime. C’est exactement le type de travail que j’apprecie : gerer un projet complet de bout en bout.

De plus, toucher a tous les aspects hardware et software etait interessant car cela m’a permis de comprendre l’ensemble du systeme et de rester informe de chaque aspect du projet. Travailler en equipe a ete benefique car nous avions une bonne communication, ce qui a facilite l’avancement du projet.

Ce qui m’a particulierement marque, c’est la coherence entre la fabrication du capteur au laboratoire AIME et son integration dans un systeme complet. Cette approche pedagogique, qui couvre l’ensemble de la chaine de valeur d’un objet connecte, est extremement formatrice et representative des defis rencontres dans le monde professionnel de l’IoT.

Lien du projet

Le projet complet est disponible sur GitHub - Capteur Gaz.