Description

Ce respiromètre développé pour les besoins du projet biofunctool, permet de réaliser une mesure de respiration cumulative après incubation. Les échantillons de sol tamisés sont mis à incuber pour une durée et à une température connue. La concentration en CO2, directement corrélée à la respiration du compartiment vivant du sol est indicatrice de l’activité microbiologique de celui-ci. Elle est mesurée dans la chambre à la suite de l’incubation.

L’instrument comporte ainsi deux éléments distincts (fig. 1) :

• Un appareil de lecture

• Une, ou plusieurs, chambre d’incubation

L’appareil de lecture fonctionne autour des composants suivants (fig. 2) :

• Un capteur CO2 NIR, Sensirion SDC30

• Un microcontrôleur ESP32, carte DFRobot Firebeetle

• Une mini pompe à air 3-5V, 0.8L/min

• Une batterie LiPo 2000mAh

Auxquels s’ajoutent diverses fournitures nécessaires au circuit électronique (résistances, interrupteur, transistor IRLZ44N) et aéraulique (tuyau PVC, joint toriques).

Fig: 2 schéma de câblage	Fig. 3 Application MyAmbiance

L’interface se fait au moyen d’un smartphone équipé de l’application Sensirion MyAmbiance (fig. 3). Le constructeur propose ce programme gratuitement permettant de communiquer avec ses capteurs par transmission Bluetooth au moyen de la librairie Arduino <Sensirion_Gadget_BLE.h>. Le microcontrôleur ESP32 choisi, dispose d’une antenne Bluetooth intégrée et supporte l’environnement Arduino. De plus la carte DFRobot Firebeetle permet de gérer la charge d’une batterie LiPo par USB et l’alimentation 3.3V du microcontrôleur, de SCD30 et de la pompe. En conséquence le circuit est très simple. Viennent seulement s’ajouter un transistor d’alimentation IRLZ44N pour contrôler le capteur et la pompe fonctionnant en parallèle, et un interrupteur pour réveiller l’appareil et des résistances pull-down. Notons que la carte Firebeetle sera en permanence connectée à la batterie et donc le microcontrôleur est sous tension, mais en mode « deep sleep », consommant moins de 20µA pendant ces périodes.

Le code est également court et simple. Lorsque l’appareil est réveillé par la mise sous tension de la broche GPIO25, c’est-à-dire quand l’interrupteur est sur position ON, il active la pompe et le SCD30 via le transistor (GPIO13) et transmet les données à l’application. Tant que l’interrupteur est en position ON, il continue l’acquisition des données CO2, température et humidité (fonction : getCO2(), getTemperature()… de la librairie "SparkFun_SCD30_Arduino_Library.h") et les transmet au téléphone via les fonctions writeValueToCurrentSample() et handleDownload(). Lorsque l’interrupteur passe en position OFF, l’alimentation du capteur et de la pompe sont coupés, mais l’appareil reste allumé pendant 5min.

Si l’appareil est redémarré (bouton reset sur la carte firebettle), la séquence de calibration est lancée par la remise à zéro de la variable mem_calib stocké dans la mémoire volatile. La séquence d’initialisation met en fonction la pompe pendant 2min (led bleue clignotante), pour équilibrer le capteur avec l’environnement extérieur, puis lance la fonction de calibration a 400ppm (setForcedRecalibrationFactor(400)). Un ajustement altitudinal a 220m est également effectué, ce paramètre est a ajusté par l’utilisateur si besoin (variable altitude).

Le boitier de l’appareil de lecture, imprimé en 3D (PLA), comporte dans sa partie inférieure (fig. 4), une enceinte de lecture hermétique, dans laquelle se situe le capteur SCD30 et la pompe. L’étanchéité est assurée par un joint torique positionné dans une gorge faisant à l’interface avec la partie supérieure. Les tuyaux souples PVC (diam. Int. 2mm ; diam. Ext. 4mm) permettent l’arrivée du gaz à analyser, aspiré par la pompe et relâché dans cette enceinte puis la sortie à la suite du capteur. Les jonctions avec le boitier sont étanchéifiées par du mastic polymère. Un câble gainé de 4 fils permet l’alimentation conjointe du capteur et de la pompe, ainsi que l’acquisition de données et I2C (fils SDA/SCL).

La batterie, la carte firebeetle ESP32, l’interrupteur et le transistor sont placés dans la partie supérieure du boitier (fig. 3). Un couvercle muni d’une fenêtre en plexiglass percé permet de visualiser les leds et d’accéder au bouton Reset.

Fig. 4 : partie inférieure (enceinte de lecture : SCD30 et pompe)	Fig. 5 : partie supérieure (firebeetle ESP32, LiPo et transistor)

Le capteur SCD30 annonce une gamme de mesure allant de 400ppm a 40 000ppm. La meilleure précision de ±30ppm +3% est atteinte en dessous de 10 000ppm, on privilégiera donc son utilisation dans ces conditions. Son temps de réponse est de 20s. Le temps nécessaire à la pompe 0.8l/min (à 5V) pour établir l’équilibre entre l’enceinte de mesure et la chambre de respiration estimé à 30s (à 3.3V). Il est donc recommandé d’attendre une minute avant de considérer la mesure comme stable. L’application MyAmbiance permet de tracer un graphique d’évolution de la concentration en CO2 et ainsi déterminer lorsque la concentration est stabilisée (atteinte d’un plateau, fig. 3).La chambre d’incubation est adaptée d’une verrine 200ml du commerce (fig. 1). Le couvercle en fer est percé en son centre pour y ajouter un passe-paroi imprimé en 3D (PLA) (fig. 6). Ce passe paroi dispose de deux canaux pour l’arrivée et la sortie d’air (fig. 7). Des sections de 3cm de tuyau souple PVC (d. int. 4mm ; d. ext. 6mm) permettent le raccord par emmanchement a l’appareil de mesure, équipé de tuyaux de diamètre inférieur. Un écrou, également imprimé, permet son maintien au couvercle. Des joints toriques assurent l’étanchéité. Le système est fermé pendant l’incubation en raccordant l’arrivée et la sortie du passe-paroi à l’aide d’un court tuyau (d. ext. 4mm).​​

Figure 6: passe-parois imprimé pour la chambre à incubation	Fig 7: passe-parois (coupe)