Ces montages, dans la plupart des cas, nécessitent un peu de connaissances et de savoir faire. Généralement il faut juste réaliser des soudures de câbles et de composants électriques ou électroniques et savoir enregistrer un code informatique (déjà écrit) dans un microcontrôleur de type Arduino. L'accès à une imprimante 3D est également souvent nécessaire (le recours à un service d'impression en ligne ou encore mieux à un Fablab pour s'initier aux techniques sont possibles).

La plupart des composants électroniques et des fournitures sont facilement disponibles auprès de commerçants spécialisés.

Les sources:

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La licence ne s'applique pas pour les éléments appartenant au domaine public.

Consulter le résumé de la licence ici et le texte complet là

Plan de câblage

Le porte cuve gris reçoit la Led et le phototransistor dans les logements prévus. L'écran est collé (adhésif double face) avec son cache bleu. Les interrupteurs sont installés sur le boitier. Le microcontrôleur est placé sur la glissière bleue. La batterie est logée sous le microcontrôleur. En façade une plaque est vissée pour tenir l'ensemble.

Codes

Il est proposé 2 codes différents. Le code spectroV.ino permet d'afficher simultanément 3 résultats de mesures dans la plage du vert (550 nm) c'est particulièrement utile pour le dosage du POXC et permet de vérifier si les résultats sont cohérents.

Le code nommé spectroRVB.ino est le code d'origine il affiche les résultats sur les plages du rouge, du vert et du bleu à chaque pression sur l'interrupteur poussoir.

Outils

• 1 imprimante 3D

• 1 fer à souder

• 1 tournevis cruciforme

• 1 pince à dénuder

• 1 pince coupante

• adaptateur USB/arduino pro mini (FTDI Adaptateur convertisseur FT232RL USB vers TTL 3.3V 5.5V)

Fournitures & fichiers

Instrument d’évaluation de la mesure de respiration basale du sol, par accumulation de CO2 dans des chambres d’incubation. L’invention comporte l’appareil de mesure : « respiromètre » et la chambre d’incubation, les deux éléments sont découplés. Il est ainsi possible de réaliser plusieurs incubations d’échantillons de sol dans différentes chambres, et de lire l’ensemble au moyen d’un appareil unique.

L’instrument fonctionne autour d’un capteur CO2 proche infra-rouge (Sensirion SCD30), permettant des mesures fiables à faible coût. Les chambres d’incubation sont adaptées de verrines du commerce au moyen d’une pièce imprimé en 3D.

Version prototype 2023 - remplacée par la version Respiromètre ExSitu

Objectif de l'instrument

SituResp, l’indicateur de référence biofunctool pour la mesure de respiration basale, pâtit d’une certaine lourdeur opérationnelle. La préparation du gel et la conservation des cuvettes sont délicates, nécessité d’effectuer deux lectures de chaque échantillon (t0 et t24h), dépendance à du matériel de laboratoire et approvisionnement en fournitures (cuvettes, réactifs).

La méthode de référence ISO16072:2002 (titration à la soude), n’est pas déployable sur le terrain et requiert des compétences de laboratoire, deux points incompatibles avec l’approche biofunctool.

Les avancées technologiques dans le domaine de la mesure proche infrarouge (NIR), ont rendu accessible au grand public des capteurs CO2 destinés au suivi de qualité de l’air. Ces systèmes sont proposés à faible coût (moins de 100€) et sont suffisamment fiables pour réaliser des mesures de respiration. Les capteurs SensAir K30 ou Sensirion SCD30 ont ainsi déjà largement été détournés par des scientifiques pour réaliser:

• Des chambres de respiration InSitu(2)

• Des incubateurs pour des mesures de flux(3,4)

Ces systèmes connus utilisent cependant un capteur CO2 par chambre, ce qui est limitant sur le nombre d’échantillons analysables en parallèles ou alors sur le coût de chacune des chambres d’incubation, devant être équipée d’un capteur et d’un dispositif d’enregistrement des données. Ce type de chambres, équipées de capteurs, se prête donc mieux à des mesures de flux, relativement courtes (quelques minutes à quelques heures) et à fréquences moyennement élevées (plusieurs mesures par minutes). Dans cette configuration les échantillons sont traités les uns à la suite des autres, en série.

L’objectif de l’instrument développé ici, est d’effectuer une unique mesure de CO2 cumulative après un ou plusieurs jours d’incubation. Equiper chaque chambre d’un capteur semble donc démesuré et non adapté au nombre d’échantillons à traiter en parallèle (plusieurs dizaines). L’instrument présenté sépare donc l’incubation de l’échantillon de l’appareil de mesure.

Références

1. Macagga, R. et al. Validation and field application of a low-cost device to measure CO 2 and ET fluxes. https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-553/ (2023) doi:10.5194/egusphere-2023-553.

2. Gagnon, S., L’Hérault, E., Lemay, M. & Allard, M. New low-cost automated system of closed chambers to measure greenhouse gas emissions from the tundra. Agricultural and Forest Meteorology 228–229, 29–41 (2016).

3. Huber, S. et al. Suitability of microbial and organic matter indicators for on‐farm soil health monitoring. Soil Use and Management sum.12993 (2023) doi:10.1111/sum.12993.

4. Gan, H., Roper, W. R., Groffman, P. M., Morris, T. F. & Guillard, K. Automated sensor-based quantification of soil water retention and microbial respiration across drying conditions. Soil Biology and Biochemistry 180, 108987 (2023).

Instrument d’évaluation de la mesure de respiration basale du sol, par accumulation de CO2 dans des chambres d’incubation. L’invention comporte l’appareil de mesure : « respiromètre » et la chambre d’incubation, les deux éléments sont découplés. Il est ainsi possible de réaliser plusieurs incubations d’échantillons de sol dans différentes chambres, et de lire l’ensemble au moyen d’un appareil unique.

L’instrument fonctionne autour d’un capteur CO2 proche infra-rouge (Sensirion SCD30), permettant des mesures fiables à faible coût. Les chambres d’incubation sont adaptées de verrines du commerce au moyen d’une pièce imprimé en 3D.

Note de versions

Version aboutie du prototype Respiromètre V2 - © Pecnotlab 2024

V1 - SCOP SAGNE en 2019 - prototype

V2 - SCOP SAGNE et IRD en 2023 - version minimaliste non aboutie sans écran, ni inter de calibration ni contrôle de la tension. Mode veille profonde et calibration peu pratique.

V3 - SCOP SAGNE juillet 2024 pour la version définitive du Respiromètre Exsitu avec un microcontrôleur de qualité.

Objectif de l'instrument

SituResp, l’indicateur de référence biofunctool pour la mesure de respiration basale, pâtit d’une certaine lourdeur opérationnelle. La préparation du gel et la conservation des cuvettes sont délicates, nécessité d’effectuer deux lectures de chaque échantillon (t0 et t24h), dépendance à du matériel de laboratoire et approvisionnement en fournitures (cuvettes, réactifs).

La méthode de référence ISO16072:2002 (titration à la soude), n’est pas déployable sur le terrain et requiert des compétences de laboratoire, deux points incompatibles avec l’approche biofunctool.

Les avancées technologiques dans le domaine de la mesure proche infrarouge (NIR), ont rendu accessible au grand public des capteurs CO2 destinés au suivi de qualité de l’air. Ces systèmes sont proposés à faible coût (moins de 100€) et sont suffisamment fiables pour réaliser des mesures de respiration. Les capteurs SensAir K30 ou Sensirion SCD30 ont ainsi déjà largement été détournés par des scientifiques pour réaliser:

• Des chambres de respiration InSitu(2)

• Des incubateurs pour des mesures de flux(3,4)

Ces systèmes connus utilisent cependant un capteur CO2 par chambre, ce qui est limitant sur le nombre d’échantillons analysables en parallèles ou alors sur le coût de chacune des chambres d’incubation, devant être équipée d’un capteur et d’un dispositif d’enregistrement des données. Ce type de chambres, équipées de capteurs, se prête donc mieux à des mesures de flux, relativement courtes (quelques minutes à quelques heures) et à fréquences moyennement élevées (plusieurs mesures par minutes). Dans cette configuration les échantillons sont traités les uns à la suite des autres, en série.

L’objectif de l’instrument développé ici, est d’effectuer une unique mesure de CO2 cumulative après un ou plusieurs jours d’incubation. Equiper chaque chambre d’un capteur semble donc démesuré et non adapté au nombre d’échantillons à traiter en parallèle (plusieurs dizaines). L’instrument présenté sépare donc l’incubation de l’échantillon de l’appareil de mesure.

Références

1. Macagga, R. et al. Validation and field application of a low-cost device to measure CO 2 and ET fluxes. https://egusphere.copernicus.org/preprints/2023/egusphere-2023-553/ (2023) doi:10.5194/egusphere-2023-553.

2. Gagnon, S., L’Hérault, E., Lemay, M. & Allard, M. New low-cost automated system of closed chambers to measure greenhouse gas emissions from the tundra. Agricultural and Forest Meteorology 228–229, 29–41 (2016).

3. Huber, S. et al. Suitability of microbial and organic matter indicators for on‐farm soil health monitoring. Soil Use and Management sum.12993 (2023) doi:10.1111/sum.12993.

4. Gan, H., Roper, W. R., Groffman, P. M., Morris, T. F. & Guillard, K. Automated sensor-based quantification of soil water retention and microbial respiration across drying conditions. Soil Biology and Biochemistry 180, 108987 (2023).

Fournitures:

Outils :

• Imprimante 3D + filament PLA (env 60m)

• Poste à souder

• Tournevis, pinces ...

Ressources:

Impression en PLA à 0.2mm. Positionner le passe-parois en position verticale (fig. 8) avec des supports. L’emplacement pour le joint de l’écrou doit être vers le haut (fig. 8). Ajouter également des bloqueurs de supports cylindriques (clic droit sur le nom de la pièce en haut à droite). Dimensions : x=3, y=3, z= 45 ; position : x=4.5/-4.5 ; y=0, z=0 (fig. 9). Ils éviteront que les supports bouchent les conduits internes.

Principe

Mesurer le flux de CO2 dans une enceinte hermétique avec un capteur à infra-rouge. Enregistrement simultané des paramètres nécessaires au calcul de la teneur en CO2 sur une carte SD. Appareil inspiré du dispositif de Parkin et al. (1996)[1] utilisé par l'USDA.

Version

version prototype v1 juin 2018

Matériel et fournitures

• Carte seeduino V4.2

• Shield Datalogging GT1046

• Sonde barométrique BMP280 (pression atm. et température de l’air)

• Sonde température étanche DS18B20 (température du sol)

• Résistance 4,7 kΩ (2)

• Sensor Moisture soil Grove 101020008 (humidité du sol)

• K30 Co2meter (sonde CO2)

• Afficheur LCD (20 x 4)

• Batterie 9 v (idéal : une batterie auxiliaire supplémentaire 9v pour le capteur CO2

• Couvercle support hermétique (print 3D)

• Cylindre métallique

Connexions et câblage

• Shield GT : 10/11/12/13

• LCD I2C

• BMP280 : I2C+

• Sonde temp. : 2

• Moisture : A2

• K30 : 8/9

Variables

les variables s'enregistrent sur un fichier CSV CO2_OO.CSV sur la carte SD

• Time (ms)

• Durée (mm :ss)

• Date (YY/MM/DD hh: mm: ss)

• CO2 (ppm)

• Temp sol (C)

• Hum sol (%)

• Patm (Pa)

• Temp air (C)

• Alti (m)

Fichiers

Références

[1] Parkin, T. B., Doran, J. W., Franco-Vizcaino, E., & Jones, A. J. (1996). Field and laboratory tests of soil respiration. Methods for assessing soil quality., 231-245.

1. Mettre l'appareil sous tension.

2. Étalonner le spectrophotomètre en réalisant le blanc: après avoir placé une cuve avec de l'eau déminéralisée, appuyer sur l'interrupteur rouge (relié à D5 sur le microcontrôleur)

3. Placer la cuve avec la solution à mesurer et appuyer sur l’interrupteur vert (celui relié à D6).

Matériel

• Le boitier de lecture respiromètre + une tige d<4mm (ex. clé Allen, cure-dent…)

• Un smartphone avec l’application Sensirion MyAmbiance

• Des chambres d’incubations (autant que d’échantillons à analyser) + 5cm de tuyau 4/6mm par chambre pour les fermer.

• Des échantillons de sol tamisés à 2mm et séchés.

• Une balance 0.1g + une cuillère

• Une pipette 2mL + eau déminéralisée

• Une petite spatule

• Un incubateur à 28°C

• Un feutre pour labeliser les chambres d’incubation

Procédure :

Préparation des chambres

Etape à effectuer 24h en amont, avec des échantillons préalablement tamisés à 2mm et séchés 7jours à l’air libre.

• Peser 7.50g de sol sec dans le bocal d’incubation (fig. 31)

• Ajouter 1.88mL d’eau déminéralisé (humidification à 25%) et homogénéiser le mélange (fig. 32).

• Fermer le couvercle et ajouter le tuyau reliant l’entrée et la sortie du passe-paroi (fig. 33)

• Labeliser et mettre à incuber 24h à 28°C (fig. 34).

Préparer autant de chambres de respiration que nécessaire.

Calibration du capteur CO2

Il est recommandé de calibrer le respiromètre avant chaque utilisation (une utilisation étant un ensemble de mesures !), afin d’éviter une dérive du capteur CO2 dans le temps ou selon les conditions d’utilisation. Cette calibration prend comme référence la concentration CO2 moyenne actuelle de l’atmosphère (env. 400ppm).

• Allumer le respiromètre : Interrupteur ON sur le côté : LED bleue allumée, pompe active (fig. 35).

• Placer le respiromètre à l’extérieur et appuyer sur le bouton Reset de la carte ESP32 au moyen d’une tige (fig. 36).

• La LED bleue clignote alors pendant 2min. Laisser le respiromètre à l’extérieur et s’éloigner pour éviter de contaminer l’environnement immédiat par votre respiration.

• Après 2min, la LED reste allumée. Il est alors possible de commencer les mesures.

Lecture des chambres

Vérification du dispositif de lecture

• Lancer l’application Sensision My Ambiance, s’assurer le que Bluetooth du téléphone est actif, et allumer le respiromètre (interrupteur ON sur le côté).

• Dans l’application choisir « SCD-Gadget xx :xx » puis dans l’onglet « dashboard » (fig. 9) et vérifier que l’instrument indique une concentration CO2 cohérente

  o Il faut jusqu’à 30-60s pour stabiliser la mesure

  o En extérieur la concentration devrait être 400±35ppm ; en intérieur entre 400 et 1000 selon l’aération de la pièce.

• Éteindre l’instrument (interrupteur OFF). Il perd alors la communication avec le téléphone.

Mesure de la concentration de CO2 d'une chambre

Après 24h d’incubation, sortir l’ensemble des chambres de l’incubateur.

• Prendre une chambre et enlever le tuyau reliant l’entrée et la sortie du passe-parois.

• Emmancher immédiatement les deux tuyaux du respiromètre sur le passe paroi : l’entrée du respiromètre (tuyau coté interrupteur) vient sur l’entrée de la chambre (« IN »).

• Allumer le respiromètre (interrupteur sur ON) et ouvrir l’application MyAmbiance.

  o Aller dans l’onglet « plot » puis « CO2 » et « live »

  o Zoomer avec deux doigts pour obtenir une échelle de ~2min

  o Observer l’évolution de la courbe CO2 et attendre que la concentration se stabilise (env. 1-2min) fig. 37 et 38

  o Retourner sur l’onglet « dashboard » et noter cette valeur « plateau » sur une feuille de résultat, un cahier de laboratoire ou un tableur (elle fluctuera toujours légèrement). C’est votre résultat de mesure (±35ppm).

• Déconnecter le respiromètre de la chambre et attendre que la concentration de CO2 redescende à celle de la pièce (~30-60sec) pour purger l’instrument !

• Éteindre le respiromètre (interrupteur sur OFF)

Répéter l’ensemble de ces étapes pour l’échantillon suivant. La zone de graphique devrait conserver l’échelle ~2min paramétrée la première fois.

Recharge de la batterie.

Connecter le respiromètre à un port USB-2 micro. La LED rouge (fig. 6) s’allume. Elle s’éteindra une fois la batterie pleine. Il n’y a pas d’affichage du niveau de batterie, il est donc recommandé de recharger l’instrument avant (ou pendant) chaque utilisation.

Description

Chambre de mesure :

Cylindre métallique portant le capteur de CO2 et le microcontrôleur. diam. ext 159 mm, diam. int. 151,3 mm, hauteur ≈ 15 cm. Épaisseur du couvercle hermétique enfoncé dans le cylindre : 20 mm. Enfoncement dans le sol de 80 mm en condition optimales. Espace de la chambre hors sol : 50 mm, pour un volume utile de 880 cm3.

Couvercle hermétique :

Impression 3D en PLA. Contient le capteur et le module d’Arduino avec batterie, écran, carte SD et interrupteur. diam. ≈ 146 mm + joint torique (diam. ext 153,05 mm, 6,99 mm épais.) fond de gorge diamètre 140 mm.

Capteur CO2 : K30 10 000 ppm

• CO2 Mesure: infrarouge non dispersif (NDIR)

• Gamme de mesure: 0 - 10,000 ppm (0-5,000 ppm dans les spécifications)

• Taux de mesure: toutes les 2 secondes

• Diffusion du temps de réponse: 20 secondes

• Temps de réponse Échantillon: 2 secondes @ .5 l / min débit de gaz tubulaire

• Temps de réchauffement: <1 min. (@ spécifications complètes <15 min)

• Les sorties. 2 analogiques, 2 numériques

• Sorties de tension analogique évolutives

• Chaque sortie numérique a un seuil et une hystérésis

• Gamme programmable: 0-10,000 ppm (configuration personnalisée requise)

• Répétabilité: ± 20 ppm ± 1% de la valeur mesurée dans les spécifications

• Précision: ± 30 ppm ± 3% de la valeur mesurée dans les spécifications

• Attente de la durée du capteur:> 15 années

• Intervalle de maintenance: aucun entretien requis

• Auto-diagnostic: vérification complète de la fonction au démarrage

• ABC (Automatic Background Calibration) activé sauf indication contraire

• Dimensions: 51 × 57 × 14 mm (Longueur x Largeur x Hauteur approximative)

• Entrée d'alimentation: 5.5-14 VDC, stabilisé dans 10% (circuits de protection externes requis)

• Consommation de courant: moyenne 40 mA

• Méthode d'échantillonnage: diffusion (capuchon de tube facultatif)

Fonctionnement

Il s’agit d’une variante au protocole de l’USDA[1], qui permet de suivre en continue sur la période de mesure l’évolution de la teneur en CO2 ainsi que des paramètres associés à cette mesure. La mesure du CO2 est à la fois plus précise et immédiate. Elle permet de connaître la teneur au début de la mesure, le comportement de la station (relargage de CO2 important au démarrage de la mesure p ex), d’enregistrer dans la chambre de mesure les paramètres associés immédiatement, toutes choses que la méthode par tube Draëger ne peut réaliser.

La manipulation est simplifiée, et les résultats sont plus précis.

La chambre à CO2 est constituée d’un cylindre métallique enfoncé en partie dans le sol, dont l’extrémité supérieure est fermée hermétiquement par un couvercle qui contient le dispositif électronique qui permet d’enregistrer plusieurs paramètres :

• Concentration en CO2

• Température et humidité relative de l’atmosphère de la cloche

• Température et humidité du sol

• Pression atmosphérique

• Date et heure

La mesure s’effectue sur une durée de 30 minutes. Les données sont enregistrées sur une carte SD au format CSV. Il a été montré par Parkin et al. (1996) que l’activité biologique augmente d’un facteur de 2 pour une augmentation de la température de 10°C. Il a également été montré (Parkin et al., 1996) que l’activité microbienne est maximale lorsque 60 % des pores du sol sont remplis d’eau. Ainsi afin de standardiser la respiration du sol ces valeurs seront prises en considération dans le traitement des données. C’est pour cette raison que température et humidité du sol sont relevées par ce dispositif. La température de l’air (chambre de mesure) et la pression atmosphérique sont nécessaires pour calculer la masse de CO2 produite.

[1] Il faut noter qu’en 1996 la méthode proposée par Parkin et al. (analyse chimique de gaz par tube Daëger) avait été choisie car elle était plus abordable que les analyses physiques par capteur infra rouge. Aujourd’hui les capteurs électroniques se sont démocratisés et sont moins coûteux que l’analyse Daëger et beaucoup plus précis. La mise en œuvre de cette mesure est aussi facilitée.

Mode d'emploi

Deux sondes thermiques placées dans la boite isotherme (au centre de la boite et au niveau du refroidisseur inférieur) permettent de réguler le fonctionnement du module peltier selon la température programmée. Les ventilateurs placés sur les refroidisseurs du peltier permettent de dissiper la chaleur. Le ventilateur dans la boite isotherme est fait pour brasser l'air et homogénéiser rapidement la température. Ce ventilateur peut être placé en marche forcée avec interrupteur placé sur le boitier.

fournitures et fichiers

câblage et montage

1. Mettre l'appareil sous tension, attendre environ 5 s avant que ne s'affiche le logo

2. L'écran affichera la tension de la batterie et indiquera le cas échéant de la mettre en charge pour éviter de l’endommager. Pour recharger la batterie il faut brancher l'appareil sur une source de courant 5 volts avec un câble micro USB (chargeur de smartphone p ex). Il faut également mettre l'interrupteur sur On. La led rouge visible depuis la petite fenêtre ronde du capot indique l'état de la charge (led fixe : batterie en charge).

3. Si le mode est placé dans le boitier l'écran indique "Retirez mode", il faut donc enlever le mode pour pouvoir continuer

4. Ensuite l'écran indique "Activation " pendant ce temps saisissez la cuvette du blanc

5. Puis puis "insérer BLANC" s'affiche. Insérer une cuve de spectrophotomètre contenant de l'eau déminéralisée

6. L'appareil détecte le blanc, réalise l'étalonnage et indique "BLANC ok"

7. Insérer ensuite une cuve à mesurer. La longueur d'onde par défaut est 550 nm (POXC)

8. Les mesures se feront en boucle sur cette longueur d'onde. Une fois avoir placer une cuve avec sa solution colorée attendre que s'affiche le résultat.

9. Pour sélectionner une longueur d'ondes particulière insérer alors le mode, c'est à dire la pièce en plastique noir qui rentre dans l'espace de la cuve.

10. L'appareil indique "Mesure en cours" puis "Choix du lambda"

11. et "Choisir lambda = 450nm ?" puis successivement 500, 550, 570 600, 650.

12. Lorsque apparait la longueur d'onde désirée enlever le mode. Les mesures se feront en boucle sur cette longueur d'onde. Une fois avoir placer une cuve avec sa solution colorée attendre que s'affiche le résultat.

13. Si vous ne retirez pas le mode l'appareil continue de proposer en boucle les § longueurs d'onde.

14. Si le code a été modifié en conséquence, à l'étape 6 si à la place d'insérer le mode vous placez une cuve à analyser, alors les mesures se feront aussi successivement aux 6 longueurs d'ondes.

Téléchargez le mode d'emploi

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).

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.

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).​​

• imprimante 3D

• 1 fer à souder

• 1 tournevis cruciforme

• 1 pince à dénuder

• 1 pince coupante

Fournitures & fichiers

Ce spectrophotomètre mesure l'absorbance aux longueurs d'ondes suivantes: 450, 500, 550, 570, 600 et 650 nm. Conçu par Onbios (version alimentée par un port USB) et adapté par le Pecnot'Lab (version nomade alimentée par une batterie 9 v ou Li-Ion) pour pouvoir être facilement transporté sur le terrain sans devoir s'encombrer d'une source de courant auxiliaire. Son usage est particulièrement destiné aux protocoles POXC, FDA (Pecnot'Lab/Biofunctool), Situresp (Biofunctool).

Merci à l'équipe d'Onbios d'avoir conçu un appareil robuste, fiable et malin et pour leurs conseils pertinents.

Historique des versions

• V1 - Version d'origine créée par Onbios (2018), modèle alimenté par un port USB (visitez leur page Gitbook pour la construction de ce modèle et leur Github).

• V2- 2019/2020 Version alimentée par une batterie 9v adaptée par le Pecnot'Lab (2020) cette version est maintenant obsolète, cependant elle est proposée ici comme une archive.

• V3- 11/2023 Version alimentée par une batterie Li-Ion rechargeable. Une collaboration entre le Pecnot'Lab et Biofunctool (2023), c'est une version qui apporte plus d'autonomie à l'instrument.

• V4.1 - 10/2024 Version avec un boitier plus compact, un écran OLED 0,96", une carte DFRobot Fire Beetle ESP 32 qui gère la recharge de la batterie Lithium LP103454, l'affichage de la tension de la batterie à l'allumage. Un code mis à jour pour la bibliothèque AS726x 2.0.1

Caractéristiques techniques du spectrophotomètre

La principale faiblesse de l’instrument tel qu’il a été conçu par Onbios est qu’il est dépendant d’une alimentation électrique USB externe (généralement un ordinateur portable). Nous avons donc ajouté un accumulateur Lithium et un micro contrôleur qui peut gérer la charge de l’accumulateur (V 4.1).

Câblage

Assemblage du boitier

• Réaliser le circuit (fig. 3)

• Se référer au tutoriel de Onbios qui est très détaillé

• Des emplacements sont prévus dans le boitier pour le capteur AS7262, la led, le micro contrôleur, l'écran OLED et la batterie

• Utiliser de la cyanolite, avec parcimonie, pour l’interrupteur à glissière et le plexiglass.

La fenêtre en plexiglass permet de visualiser l'état de la charge. Pour recharger le spectromètre, le connecter en micro USB et allumer le sélecteur sur le côté.

Le code IDE aura été téléchargé avant le montage.

Adapté de:

DIYbio Orbital Shaker V 2.0 (https://www.thingiverse.com/thing:2983846) by ProgressTH is licensed under the Creative Commons - Attribution license. http://creativecommons.org/licenses/by/3.0/

Adapté de:

Open Source Laboratory Sample Rotator Mixer By: (jpearce) License: Commercial use is allowed, you must attribute the creator, you may remix this work and the remixed work should be made available under this license. Published on: Apr 14, 2017

Note de version : évolutions par rapport à la V1:

Un appareil qui évalue automatiquement le volume de la chambre d'émission du CO2 (capteur Lidar), qui enregistre la position géographique de la station (GNSS), averti de l'état de la batterie et qui enregistre les concentrations de CO2 toutes les deux secondes sur une carte mémoire.

Dimensions du modèle des essais OGDEN 1997

Cuve : diamètre 0,15 m, hauteur 0,4 m, épaisseur plexiglass 3 mm

Couvercle et fond en plexiglass 8 mm.

Tube bulleur : diam. ext 16 mm, diam. int. 13 mm

Trou de remplissage de 50 mm de diamètre.

19 tubes capillaires, trous de 2,4 mm placés tous les 30 mm sur les diagonales, (1 capillaire/ 8,6 cm2) capillaires Tygon microbore tubing de 0,35 m, 0,76 mm diam. int. et 2,3 mm diam. ext.

Joints en mastic.

Calcul du débit à la sortie de chaque capillaire (loi de Poisseuille).

Q (m3 s-1)

ΔP différence de pression aux extrémités des capillaires

ΔP = Hρg H distance entre la base du tube bulleur et l’extrémité supérieure des capillaires (m), ρ densité de l’eau (g m-3), g accélération de la pesanteur (ms-2)

r rayon du capillaire (m)

η viscosité de l’eau (gm-1s-1)

L longueur d’un capillaire

Essais OGDEN

· les débits mesurés avec les prototypes d’infiltromètres en faisant varier la charge H sont conformes aux débits théoriques calculés.

· à charge constante les débits varient selon la température (mais pas aussi vite que le prédisent les calculs théoriques) ; faibles différences entre 10 et 25 °, faire cependant attention aux effets de surchauffe sur les surfaces de plexiglass.

· faire attention à l’état des capillaires qui peuvent se boucher par le développement de micro organismes.

Modèle Cornell

24,1 cm de diam. d’après les photos 12 lignes de capillaires et 12 capillaires sur le diamètre de 24 cm , soit un espacement de 2 cm entre capillaire (106 capillaires soit 1 cap./4 cm2) avec Tygon ND 100-80.

Modèle SCOP SAGNE 240

Cuve : diamètre int. 240 mm, ext 250 mm, hauteur 500 mm , volume total 22,6 L, plexiglass de 5 mm d’épaisseur

Couvercle et fond plexiglass de 15 mm d’épaisseur (350 x 350 mm), surface du fond mouillé 452 cm2

Tube bulleur 12 mm/16 mm , longueur 600 mm

Bouchon trou de remplissage caoutchouc 60/70

Bouchon trou tube bulleur caoutchouc 31/38

Capillaires Tygon (0,76/ 2,3 mm) 35 cm de longueur, 45 unités (15,75m, 51,7 ft) 1 capillaire/10 cm2 , espace de 3 cm entre les capillaires

Anneau métallique : diam. ext 244,5 mm int. 236,5 mm, hauteur 200 mm (75 + 125)

Calibrage de la hauteur du bulleur

Modèle SCOP SAGNE 220

Cuve : diamètre int. 220 mm, ext 230 mm, hauteur 400 mm , volume total 15,2 L, plexiglass de 5 mm d’épaisseur

Couvercle et fond plexiglass de 12 mm d’épaisseur (330 x 330 mm), surface du fond mouillé 380 cm2

Tube bulleur 8 mm/12 mm , longueur 500 mm

Bouchon trou de remplissage caoutchouc 60/70

Bouchon trou tube bulleur caoutchouc 31/38

Capillaires: Tygon (0,76/ 2,3 mm) 35 cm de longueur, 89 unités (31,5 m, 103,35 ft) 1 capillaire/ 4,26 cm2 , espace de 2 cm entre capillaires

Anneau métallique : diam. ext 220 mm int. 214 mm, hauteur 200 mm (75 + 125)

Références:

1. Imprimer les pièces en PLA avec des paramètres standards (fig. 3&4)

2. Penser à ajouter des supports pour le palonnier, le socle et les tamis

3. Réaliser le circuit (fig. 1 & 2)

4. Souder les composants au PCB. Le dissipateur est pour le transistor LM7806 (fig. 5)

5. Bien penser à faire passer les câbles des servomoteurs et du buzzer par la fenêtre du boitier avant de les souder au PCB. Idem pour le bouton (fig. 5)

6. Assembler le boitier (fig. 6) Voir la vue éclatée du Slake Robot V1 qui montre le principe d'assemblage

7. Coller ou visser les composants

8. Fermer le boitier avec le couvercle par 4 vis M2 x 10

9. Mettre en place les rails avec les boulons M3x12

10. Insérer les plombs dans le palonnier

11. Il est nécessaire d’écraser les « picots » (fig 7)

12. Les insérer légèrement en force, ils seront ensuite maintenus par l’écrou au-dessus (fig. 8)

13. Joindre le palonnier au rail (fig.9)

14. Partie haute (fig. 10) : au moyen des boulons M3x25 ; le roulement 3x8x4 à l’intérieur. Insérer les entretoises.

15. Partie basse (fig. 11) : au moyen des boulons M3x30 ; le roulement 5x11x4 sur l’extérieur ; le roulement 3x8x4 à l’intérieur. Insérer les entretoises.

16. Laisser du jeu dans le mécanisme. Ne pas serrer les écrous.

17. Téléverser le code et brancher le robot.

18. Assembler la came : Insérer le bras correspondant du servomoteur dans la came et le fixer au moyen de colle cyanolite, puis laisser sécher.

19. Mettre en place les servomoteurs à leurs emplacements (fig. 10&11). Attention à l’orientation.

20. Il est important d’avoir mis le robot sous tension afin que les servomoteurs soient en position haute avant d’assembler la came à l’arbre du servomoteur au moyen du boulon M2.5x8 (fig.12)

21. Ajouter du silicone le long des rails pour lubrifier le mécanisme.

22. Réaliser le réservoir en plexiglas (assemblage à la colle pour polycarbonate Acrifix 1S 0116) (fig. 13 à 15)

23. Imprimer les 9 tamis (fig. 16)

Conception Jacques THOMAS Pecnot'Lab - groupe Eïwa 2021

Caractéristiques

• plage de profondeur: 0.5 m à 50 m

• angle: 30 °

• résolution: 1 cm à 2 m, 25 cm à 50 m

• fréquense: 115 Hhz

• plage de température: 0 à 30 ° C

• alimentation 4,5 à 5,5 v 100 mA

• Integrated Chip Antenna

• 92-Channel GNSS Receiver GPS Galiléo Glonass Beidou

• 1.5m Horizontal Accuracy

• 25Hz Max Update Rate (4 concurrent GNSS)

• Time-To-First-Fix:

  • Cold: 24s

  • Hot: 2s

• Heading Accuracy: 0.3 degrees

• Time Pulse Accuracy: 30ns

Fournitures et fichiers

Câblage et montage

Fonctionnement

Brancher la batterie après avoir vérifié qu'elle est bien en charge. Se placer sur l'eau dans un endroit dégagé et immerger l'échosondeur (entre 10 et 20 cm sous la ligne de flottaison). Mettre en tension le bathymètre. Pendant quelques instants (30 s à froid), le GPS va chercher sa position. L'écran indique "mauvaise qualité de signal". Quand la position est stabilisée, le bathymètre mesure la profondeur de l'eau. Si elle est supérieure à 50 cm et que le signal est de bonne qualité, l'appareil enregistre les données toutes les 4 secondes. Si le signal du GPS ou de l'échosondeur sont dégradés l'appareil bip et la led rouge reste fixe, sinon led rouge et verte clignotent en alternance. Il est possible de couper le buzer avec l'interrupteur prévu (préférable notamment lors de la recherche initiale de la position). Les paramètres de signal dégradé de fréquence d'enregistrement peuvent être modifiés dans le code.

Variables enregistrées

• horodatage GMT; latitude; longitude; variable fix; nbre de satellites; profondeur; qualité du signal

Ressources

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 :

• Un appareil de lecture

• Une, ou plusieurs, chambre d’incubation

L’appareil de lecture fonctionne autour des composants principaux suivants :

• Un capteur CO2 NIR, Sensirion SDC30

• Un microcontrôleur ESP32, carte uPesy wroom Low Power DevKit 1.2

• Une mini pompe à air 3-5V, 0.8L/min

• Une batterie LiPo 2000mAh

Les données sont affichées sur un écran mais on peut aussi les consulter sur 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 uPesy wroom Low Power DevKit 1.2 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.

Un interrupteur général commande le fonctionnement de l'appareil, pompe et capteur se mettent en marche. Selon la position du switch l'appareil exécute ou non une calibration à 400 ppm. Une fois la calibration achevée l'appareil émet un son pour avertir l'opérateur puis mesure en continu la concentration en CO2 du flux de gaz.

A l'allumage l'écran indique la tension de la batterie pour pouvoir anticiper une éventuelle mise en charge.

Une adaptation d'un modèle conçu par Christina Cipriano

Ce spectrophotomètre mesure absorbance et transmittance en s'appuyant sur une LED RVB comme source de lumière. La mesure se fait donc simultanément dans les longueurs d'ondes du Rouge, du Vert et du Bleu. Selon la qualité des composants employés les résultats sont plus ou moins précis. Dans notre cas le résultat fut tout à fait honorable compte tenu des faibles moyens employés (voir le ci dessous). Modèle très simple adapté du projet de auquel on a ajouté un boitier de taille très réduite.

Partie inférieure

Câbler le SCD30 et la pompe

1. Commencer par relier les fils de masses du SCD 30 et de la pompe entre eux, de même avec les fils d’alimentation.

2. Enlever la gaine sur le câble 4 fils sur 5cm environ (fig. 10).

3. Raccourcir les fils noirs et rouge de 3cm

4. Connecter les fils blanc et jaune au SDA/SCL du SDC 30 ; les rouge et noirs à l’alimentation et à la masse du système pompe+SDC30 (fig. 11).

Assemblage

1. Connecter 30cm de tuyau PVC 2/4mm à l’entrée de la pompe et le passer par l’orifice du boitier (fi. 17).

2. Passer le bout d’un autre tuyau PVC 2/4mm dans l’autre orifice puis ajouter un collier (sans trop le serrer pour ne pas bloquer le passage d’air). Fig. 18

3. Ajouter du mastic polymère pour parfaire l’étanchéité aux interfaces tuyaux-boitier. (fig. 17&18)

4. Placer la pompe et le SDC30 à leur place dans le boitier. Maintenir le SDC30 au moyen de deux vis M2x3 (fig. 17)

5. Découper 23cm de joint torique d=2.65m et le placer dans la rigole. Utiliser de la colle cyanolite pour le maintenir en place. (fig. 17 à 19)

6. Placer l’œillet dans la partie supérieur du boitier puis y passer le câble (fig. 20).

7. Placer les 4 vis M2x16 aux quatre coins pour fermer le boitier.

Partie supérieure

1. Réaliser le circuit en connectant les fils (longueur ~5cm) directement à la carte ESP32. Bien respecter les I/O indiqués sur le schéma (fig. 21).

2. Penser à insérer l’interrupteur sur le boitier, par l’extérieur, avant de le connecter à la carte.

3. Astuce : la résistance « pull down » peut être soudé directement sur les broches du transistor (fig. 22)

4. Souder la batterie LiPo à la carte.

5. Placer l’ensemble des composants dans le boitier (fig. 23).

6. La batterie en dessous

7. La carte ESP32 de manière à ce que le port USB soit accessible de l’extérieur

8. Le transistor là où il y a de la place

9. Essayer de dégager l’avant de la carte (leds et bouton Reset doivent être visible depuis la fenêtre)

10. Découper un morceau de plexiglass 20x20mm et le coller sur la fenêtre du couvercle (cyanolite). (fig. 24)

11. Fermer le couvercle, faire une marque sur le plexiglass au-dessus du bouton Reset puis le percer (d=4mm). (fig.24)

12. Fermer le couvercle et le maintenir par 2 vis M3x12.

13. Parfaire éventuellement l’étanchéité entre la partie basse et supérieur avec du mastic au niveau de la jonction.

Chambre de respiration

1. Percer le couvercle du bocal à 16mm en son centre (fig. 26).

2. Mettre en place le passe paroi avec son joint torique 15mm, coté extérieur (fig. 26).

3. Visser l’écrou, et son joint torique 15mm, coté intérieur.

4. Découper deux sections de 25mm sur le tuyau 4/6mm.

5. Les positionner sur les tétines du passe-paroi (chauffer si nécessaire).

6. Ajouter éventuellement du mastic polymère.

7. Solidariser les tuyaux au moyen des colliers de serrage (fig. 27).

8. il est possible de remplacer les joints toriques par du mastic polymère (ou du silicone). Fig. 28

• Un unique bouton permet de lancer la mesure. Les instructions, et les scores, sont affichés sur le petit écran OLED.

• Connecter le robot à une source d’alimentation 12V DC (entre 12V et 36 v). Il se met en marche et le palonnier est en position haute.

• Préparer les tamis

• Nettoyer le bac et mettre de l’eau propre

• Mettre un agrégat (±8mm) dans chaque tamis

• Lancer la mesure en appuyant sur le bouton et suivre les instructions de l’écran.

• A la fin de la mesure (après la séquence des 5 immersions), faire un appui prolongé sur le bouton, le palonnier est en position haute, les tamis et le bac à eau peuvent être retirés.

• Nettoyer le bac à eau et les tamis, placer de nouveaux agrégats.

• Un appui bref déclenche la nouvelle mesure.

Historique des versions

• V1 - Version originale conçue par Nicolas Deschamps (IRD) et Jacques Thomas (Scop SAGNE) en décembre 2023 dans le cadre du plan de relance

• V2- octobre 2024 Jacques Thomas (Scop SAGNE) Modification du pommeau d'arrosoir et du support de la vanne. Solution pour le transport du matériel et liaison souple entre réservoir et vanne.

Fournitures et ressources

Divers: Fil électrique 26/28AWG ; gaine thermorétractable, colle à chaud

· Imprimante 3D + filament PLA (env 60m)

· Poste à souder (Etain et Nickel pour la batterie)

· Tournevis, clés Allen, clés plate, pinces...

Impressions en PLA à 0.2mm. Il est recommandé d’imprimer l’arrosoir en position verticale avec des supports (fig. 1). Le raccord fût-vanne avec un remplissage nid d’abeille à 70% (fig. 2).

Bibliothèques arduino :

adafruit/SD v.0.0.0

mathertel/OneButton v.2.0.3

mathertel/RotaryEncoder v.1.5.3

adafruit/RTClib v.2.0.3

marcoschwartz/LiquidCrystal_I2C v.1.1.4

arduinogetstarted/ezOutput v.1.2.0

akkoyun/Statistical v.2.4.1

Montage

Démarche pas à pas avec un PCB (sinon réaliser le câblage selon la fig. 3).

Sur la partie supérieure du boitier, câbler indépendamment avec des fils d’une dizaine de cm de longueurs, de couleurs différentes les composants suivants

• Ecran LCD

• Pololu microSD

• Encodeur rotatif

• La broche

• Le capteur piézométrique. Connecter également le tuyau PVC 2mm de 50cm et le sertir avec un collier.

• L’interrupteur

• La LED

Positionner ensuite les éléments de la façade coté intérieur (LCD, LED, Encodeur, micro SD Pololu, voltmètre) puis les fixer au moyen de vis M2x5 et/ou de colle à chaud (fig. 5).

Souder ensuite sur le PCB, aux positions inscrites, les composants suivants :

• Le module RTC

• Les transistors

• Les condensateurs

• Les résistances

• Les « sockets » pour accueillir l’Arduino nano

• L’embase d’alimentation

Puis souder les fils des composants de la façade en suivant également les inscriptions du PCB (fig. 8). Le voltmètre est à connecter à un des pin 12V et au GND. Il faudra également plier délicatement le module RTC jusqu’à un angle de 45° afin qu’il rentre correctement dans le boitier par la suite. (fig. 9)

Pour la partie inférieure du boitier:

Préparer la batterie 12.6V en collant trois accumulateurs Li-Ion 18650 (fig. 10) entre eux et en réalisant le circuit 3S (fig. 11).

Insérer l’interrupteur et la broche. Penser à mettre le joint-capuchon (fig. 14).

Souder par-dessous le PCB la batterie, l’interrupteur, la broche et le buzzer toujours en suivant les indications inscrites dessus (fig. 12).

• Téléverser le code dans l’Arduino.

• Souder les « pins » de l’Arduino et le clipper sur les « sockets » du PCB.

• Mettre sous tension et vérifier que tout fonctionne.

• Passer le tube PVC par l’orifice du boitier, et ajouter un point de colle sur le capteur pour le solidariser à une paroi.

• Fixer le PCB par deux vis M2x5 (fig. 12).’

• Insérer les écrous M3 à leur emplacement (fig. 13)

• Fermer le boitier et visser les boulons M3x10 sur les côtés.

Réalisation du couvercle « Mariotte »

• Percer proprement le couvercle du bidon en son centre avec une mèche de 16mm

• Insérer le passe paroi imprimé dans le trou, en ajoutant les joints plats 16/24mm (fig. 16&17)

• Serrer avec deux pinces plates (28cm) ou des clés à molette

• Chauffer et emmancher 18 cm de tuyau PVC 10/14mm (fig. 18).

• Ajouter un collier pour maintenir le tuyau (fig. 17).

• S’assurer que le joint blanc du couvercle est bien présent et en bon état.

Raccord bidon-vanne-arrosoir

Ces raccords sont simplement vissés. Ajouter les joints DN20 et du ruban téflon sur le pas de vis du raccord bidon-vanne. Il est conseillé de garder ces deux éléments solidaires et de dévisser la tête d’arrosoir pour le transport si nécessaire. Il est également possible de l’orienter vers le haut pour pouvoir poser le bidon sans induire de contraintes sur les raccords.

Rallonger le câble de la vanne (40-50cm) et souder la partie femelle de la broche.

Sonde de pression :

Il est utile d’élargir légèrement l’ouverture du tuyau 2mm pour limiter les phénomènes de capillarité (fig. 21). Emmancher un second tuyau de 5cm de long, 4mm intérieur, sur 2 à 3 cm. Chauffer si nécessaire pour faciliter l’opération. Il est également possible de rajouter un joint silicone pour parfaire l’étanchéité. Solidariser ensuite l’ensemble a une tige métallique au moyen de scotch électrique (fig. 22).

Trépied en bambou :

Une solution de support possible, et efficace, du bidon.

Matériel

• Trois bambous de 1m ; 3-5cm de diamètre

• De la ficelle

• Deux crochets imprimés (STL fournis)

• Une vis

Réaliser un nœud de trépied en suivant ce tutoriel vidéo. Ajouter une vis sur le bambou central pour éviter au nœud de glisser (fig.21).

Percer les deux bambous des cotés à 25cm du haut. Y passer les cordelettes, faire un nœud d’arrêt sur l’extérieur et attacher le crochet a 5cm coté intérieur (fig. 22).

Matériel

• Le boitier Respiromètre ExSitu

• Un smartphone avec l’application Sensirion MyAmbiance

• Des chambres d’incubations (autant que d’échantillons à analyser) + 5cm de tuyau 4/6mm par chambre pour les fermer.

• Des échantillons de sol tamisés à 2mm et séchés.

• Une balance 0.1g + une cuillère

• Une pipette 2mL + eau déminéralisée

• Une petite spatule

• Un incubateur à 28°C

• Un feutre pour labelliser les chambres d’incubation

Procédure :

Préparation des chambres

Etape à effectuer 24h en amont, avec des échantillons préalablement tamisés à 2mm et séchés 7jours à l’air libre.

• Peser 7.50g de sol sec dans le bocal d’incubation

• Ajouter 1.88mL d’eau déminéralisé (humidification à 25%) et homogénéiser le mélange.

• Fermer le couvercle et ajouter le tuyau reliant l’entrée et la sortie du passe-paroi.

• Labelliser et mettre à incuber 24h à 28°C.

Préparer autant de chambres de respiration que nécessaire.

Calibration du capteur CO2

Il est recommandé de calibrer le respiromètre avant chaque utilisation (une utilisation étant un ensemble de mesures) afin d’éviter une dérive du capteur CO2 dans le temps ou selon les conditions d’utilisation. Cette calibration prend comme référence la concentration CO2 moyenne actuelle de l’atmosphère (env. 400ppm).

• Placer le switch sur la position "calibration"

• Placer le respiromètre à l’extérieur dans un endroit sans pollution par des émissions directes de CO2.

• Allumer le respiromètre.

• Laisser le respiromètre à l’extérieur et s’éloigner pour éviter de contaminer l’environnement immédiat par votre respiration.

• Après 2min, le buzzer émet un son. Il est alors possible de saisir le boitier et de commencer les mesures.

• Pendant la série de mesures il est possible d'éteindre puis de rallumer l'appareil, veillez cependant à placer le switch en position "mesures". La calibration effectuée restera valable.

Lecture des chambres

Vérification du dispositif de lecture

• Contrôler les valeurs de concentration de CO2 sur l'écran et/ou lancer l’application Sensision My Ambiance, s’assurer le que Bluetooth du téléphone est actif, et allumer le respiromètre (interrupteur ON sur le côté).

• Dans l’application choisir « SCD-Gadget xx :xx » puis dans l’onglet « dashboard » (fig. 9) et vérifier que l’instrument indique une concentration CO2 cohérente

  o Il faut jusqu’à 30-60s pour stabiliser la mesure

  o En extérieur la concentration devrait être 400±35ppm ; en intérieur entre 400 et 1000 selon l’aération de la pièce.

• Éteindre l’instrument (interrupteur OFF). Il perd alors la communication avec le téléphone.

Mesure de la concentration de CO2 d'une chambre

Après 24h d’incubation, sortir l’ensemble des chambres de l’incubateur.

• Après avoir calibré l'appareil pour une série de mesures, prendre une chambre et enlever le tuyau reliant l’entrée et la sortie du passe-parois.

• Emmancher immédiatement les deux tuyaux du respiromètre sur le passe paroi : l’entrée du respiromètre (tuyau coté interrupteur) vient sur l’entrée de la chambre (« IN »).

• Allumer le respiromètre (interrupteur sur ON) , lisez la valeur affichée à l'écran ou ouvrir l’application MyAmbiance.

  • Allez dans l'onglet "plot" puis "co2" et "live"

  • Zoomer avec deux doigts pour obtenir une échelle de ~2min

  • Observer l’évolution de la courbe CO2 et attendre que la concentration se stabilise (env. 1-2min) fig. 37 et 38

  • Une fois la valeur stabilisée, lisez la concentration à l'écran du boitier ou retournez sur l'onglet "dashboard" et enregistrez cette valeur "plateau", c'est votre résultat de mesure à 35 ppm près.

• Déconnecter le respiromètre de la chambre et attendre que la concentration de CO2 redescende à celle de la pièce (~30-60sec) pour purger l’instrument !

• Éteindre le respiromètre (interrupteur sur OFF)

Répéter l’ensemble de ces étapes pour l’échantillon suivant. La zone de graphique devrait conserver l’échelle ~2min paramétrée la première fois.

MyAmbiance offre la possibilité d'exporter la série de mesures dans des fichiers csv.

Machine mise au point pour le Pecnot'Lab pour automatiser le test de stabilité des agrégats présenté ici

Note de versions:

Slake robot V1 (2019) prototype opérationnel qui méritait quelques optimisations

Slake Robot V2 (2023) avec les modifications suivantes:

• alimentation unique (12-35 v)

• un seul bouton de commande à deux fonctions

• conception d'un PCB

• socle et boitier redessinés pour être plus compactes

• palonnier et rails simplifiés avec intégration des masses en plombs dans la structure

• servomoteurs optimisés

• code revu avec chronométrage plus précis

Inspiré de nombreux modèles équivalents présents sur le net.

• arduino

Matériel

• Baril de 10L MobilPlastic + raccord imprimé + vanne (solénoïde action directe 12V 3/4" DN20) + couvercle « mariotte » (fig. 2). Il est recommandé de conserver cet ensemble solidaire (fig. 3).

• Cylindre (PVC ou métal) diamètre 20cm, hauteur ~15cm, biseauté et marqué à 3cm. (fig. 4)

• Cisailles à herbes

• Marteau antirebond + tasseau longueur ~25cm, coté ~5cm

• Trépied ou système pour maintenir le baril en place (une caisse de hauteur ~30cm par ex.).

• L’arrosoir beerkan. Coudé si utilisation d’un trépied, droit s’il est posé.

• Le boitier électronique « Beerkan Auto »

  • La présence de la microSD est nécessaire

  • Bien penser à le charger (≥12.2V dans l’idéal).

• Le protocole BFT beerkan pour la méthode.

Procédure :

Mise en place

1. Nettoyer la surface où est réalisée la mesure : enlever les résidus de culture, couper aux cisailles à herbes la végétation.

2. Positionner le cylindre (éviter les cailloux), et l’enfoncer jusqu’au trait (ou environ 2-3cm) à l’aide du marteau et du tasseau. Le tasseau permet de repartir la frappe sur le cylindre.

3. Visser l’arrosoir sur la vanne puis mettre en place l’ensemble bidon-vanne-arrosoir rempli au maximum et le couvercle vissé hermétiquement au-dessus du cylindre au moyen du trépied ou du système de soutient. L’arrosoir doit être centré sur le cylindre, une dizaine de cm au-dessus de celui-ci, afin de ne pas occulter la surface du sol et pouvoir contrôler visuellement le bon déroulement de la mesure.

4. Piquer la sonde dans le cylindre, au plus proche du sol sans être enterrée (2-3mm). Éviter les zones directement en dessous des écoulements de l’arrosoir, les points les plus hauts ainsi que les points les plus bas de la surface. Choisir un point ou le sol est suffisamment compact pour que la tige sur laquelle le tuyau est maintenu ne bouge pas pendant la mesure.

5. Connecter le boitier à la vanne.

Lancement de la mesure :

1. Vérifier que la carte microSD soit bien présente.

2. Allumer le boitier : bouton ON/OFF rouge en façade.

3. Vérifier la date et l’heure au lancement. Celle-ci n’est pas paramétrable sur le terrain. Se reporter au tutoriel de réalisation pour la mise à jour.

4. Vérifier le niveau des batteries (idéalement autour de 12V)

5. Appuyer une première fois sur l’encodeur rotatif en bas à droite pour quitter l’écran d’accueil.

6. Choisir le numéro de parcelle (entre 0 et 255) en tournant l’encodeur, puis valider le choix en appuyant dessus.

7. Choisir la lettre de réplicat (A à E) suivant la même procédure.

8. Vérifier le nom de fichier créé : format BRK_#parcelle_$replicat.csv

9. Appuyer pour lancer la mesure

Pendant la mesure :

• L’instrument est automatique, aucune tâche utilisateur n’est requise. Il est cependant conseillé de vérifier pendant la mesure ou à minima à la fin, que tout semble être en ordre : sonde en place, pas de fuites, niveau d’eau dans le bidon…

• Un appui long sur l’encodeur pendant la mesure y mettra fin. Un appui court éteint le LCD

• Après chaque volume versé l’écran indique (fig. 9):

  • Le volume en cours d’infiltration (jusqu’à 10 ; ici 5)

  • Le temps entre deux volumes (Dt en secondes ; ici 57)

  • Le temps total de mesure (30min max ; ici 2min4s)

• A la fin de la mesure : 30min ou 10 volumes atteints (fig. 10)

  • La LED s’allume et l’instrument bip toutes les 20 secondes et l’écran affiche

    • Le temps total de la mesure (ici 3min3s)

    • Le nombre de volumes déversés (ici 10)

    • La conductivité hydraulique K[mm/h] calculé entre le 3em et le dernier volume versé (ici K = 7729 mm/h)

Enregistrement de la mesure

L’instrument met en mémoire sur la carte microSD trois fichiers

• K_ardui.csv (fig. 11) : Un fichier unique qui sauvegarde sur une ligne horodatée (col. 1 & 2) et labellisée (col 3 : parcelle ; col 4 : réplicat) le résultat K en mm/h calculé par l’arduino (col 7). Sont également gardé en mémoire le temps total de mesure en secondes (col 5) et le nombre de volumes de 310ml déversés (col. 6).

• K_BFT.csv (fig. 11): Un fichier unique, horodaté pour chaque mesure (header jaune), qui conserve le cumul de hauteur d’eau (col. 5) et de temps cumulé (col. 4) pour chaque volume versé (col. 3). Il est équivalent aux notes que prendrait un utilisateur effectuant la méthode beerkan à la main.

• BRK_#_$.csv (ex : BRK_1_A.csv – fig.12). Pour chaque mesure sont sauvegardé la hauteur d’eau (col 5) et le temps d’infiltration (col. 4) dans un fichier CSV différent. L’état de la vanne (col. 6 ; 0 : fermée ; 1 : ouverte) et le volume auquel correspond le couple temps/hauteur d’eau (col. 3) sont également enregistré. Le header jaune horodate et labélise le fichier.

accès au protocole Baermann

Introduction

« La méthode des bait lamina permet de mesurer le degré d’activité de consommation d’un substrat organique par la mésofaune du sol (organismes de 200 μm à 2 mm) dont le rôle est majeur sur le cycle du carbone. Les bait lamina sont des languettes en PVC composées de seize trous remplis avec un substrat organique qui peut être fabriqué ou fourni (Terra Protecta, Allemagne). Sept bait lamina par point d’échantillonnage sont enfouies dans le sol durant une période d’incubation à déterminer en fonction des conditions environnementales (1 à 3 semaines en général). L’activité des organismes du sol est évaluée à travers la consommation de ce substrat, en comptant le nombre de trous ayant subi une dégradation visible du substrat suite à la période d’incubation dans le sol. » (Brauman 2020)

Démarche R&D

Les laminas imprimés par la technologie classique et très répandue Fused Deposition Modeling (FDM) sont déjà largement utilisés. Nous avons donc cherché à optimiser leur réalisation pour le modèle d’imprimante utilisé à la SCOP Sagne et à Eco&Sols (Prusa MK3S+).

Différentes formes de fraisage sur le trou de 1.5mm et différents paramétrages de l’imprimante ont été testés pour proposer un modèle 3D et les réglages adéquats.·

• Deux matériaux plastiques : PLA et PETG. Le PLA est à privilégier, il permet un niveau de détail plus important. Le PETG tend à laisser des micro-fils qui obstruent les trous.

• Des couches d’impressions de hauteur 0.1mm sont un bon compromis entre précision et temps d’impression

• L’activation de la fonction de lissage permet un meilleur rendu de la face supérieure de la languette.

• Finaliser la réalisation en « scalpant » les laminas au moyen d’une lame de cutter et en débouchant les trous avec un poinçon.

Cependant cette technologie d’impression ne permettra jamais d’obtenir une surface aussi lisse que du PVC et une haute précision de la forme des trous. La production de lamina est relativement lente et limitée par la surface du plateau d’impression (17 unités par impression de 8h). Plusieurs impressions ont également échoué à cause d’un défaut de première couche.

Nous nous sommes donc orientés vers une autre technologie d’impression 3D, répandue et financièrement accessible : l’impression par photopolymérisation de résine (DLP SLA). Elle est cependant plus délicate et plus lourde à déployer. Ces imprimantes permettent un très bon niveau de détail, un état de surface lisse et des matériaux aux propriétés intéressantes (anisotropie entre autres). L’impression des laminas est réalisée verticalement, ce qui permet de largement démultiplier le nombre de languettes par opération (50 proposés ici, possible de densifier encore). Les supports ont été ajoutés manuellement, en prenant attache sur les tranches pour éviter les aspérités sur les surfaces. La scène d’impression pour Lychee Slicer est présente dans le dossier (LAMINAx50.lys) (fig.1).

L’imprimante utilisé est le modèle Photon 2D de chez Anycubic et la résine ABS-Like Anycubic. Le temps d’exposition par couche est de 2,5s à 405nm. Les autres paramètres sont disponibles dans le profil de résine pour Lychee Slicer « Anycubic ABS like grey 50um.lyr », présent dans le dossier (fig. 2).

Le tutoriel de réalisation par impression résine est proposée ci-dessous.

Réalisation

Matériel :

• Bain à ultrason chauffant (exemple)

• Imprimante Anycubic Photon 2D

• Résine Anycubic ABS-Like grise

• Anycubic Wash & Cure + spatule métallique

• Alcool IPA (3L)

• Souffleur à air (exemple USB)

Tutoriel :

Impression :

• Charger le fichier LAMINAx50.dl2p sur la clé USB de l’imprimante

• Mettre la résine au bain-marie à 30°C pendant 30min, puis activer les ultrasons pendant 10min

• Secouer la bouteille pendant 1min puis verser 220ml de résine dans le bac d’impression (niveau max)

• Lancer l’impression des 50 laminas à partir du fichier présent sur la clé USB.

Post-traitement :

Une fois l’impression terminée (env. 12h)

• Mettre l’ensemble du plateau d’impression avec les laminas attachées dans le bain d’alcool rempli au maximum (fig. 5).

  • Les languettes sont orientées vers le bas et ne doivent pas toucher la grille du fond.

  • Lancer l’agitation pendant 20min pour nettoyer le plateau d’impression.

• Sortir le plateau d’impression du bain et sécher les lamina, toujours attachées au plateau, avec le souffleur.

• Exposer l’ensemble plateau + lamina aux UV pendant 20min. (fig. 6)

• Détacher les lamina du plateau au moyen de la spatule

• Retirer les supports avec les doigts (fig. 7)

  • Compresser entre le pouce et l’index pour casser les liaisons supports-lamina

  • Tirer à la base de la languette pour la sortir de son « fourreau »

• Laisser les lamina exposées aux UV naturels pendant un à deux jours, puis les ranger à l’obscurité.

Conception Jacques THOMAS Pecnot'Lab - groupe Eïwa 2019-2021

Fournitures et fichiers

Câblage et montage

Capteurs NXP USA inc. 10KPa 5% 5V différentiel

TruStability® Standard Accuracy Silicon Ceramic (SSC) Capteur Honeywell 10kPa différentiel, 5 V analogique, 2% - Pinouts: 1 NC, 2 Vs, 3 Vout , 4 Gnd

Variables

Enregistre au format CSV avec des virgules comme séparateur de champ:

• date (jj/mm/aa)

• heure (hh:mm:ss)

• Vout sensor (v)

• H (cm)

• humidité atmosphérique (%)

• température (°C)

• pression atmosphérique (HPa)

Support utilisé avec l'incubateur de 5 l pour réaliser chez soi la mesure de la respiration par incubation. A imprimer de préférence avec du filament PETG pour plus de souplesse.

Adaptation par Pecnot'Lab à partir d'éléments imprimés avec une imprimante 3D.

Connexions

• MAX44009 et BME280 : I2C sur Real Time Clock GND/VCC/SDA/SCL

• Water sensor : A0 sur Arduino pro mini

• DHT22 pin D2

• Alimentation via TPL 5110

• Micro SD (10/11/12/13 VCC sur arduino ;

• Real Time Clock (A4,A5, VCC sur arduino)

variables enregistrées dans le fichier SUN00.csv

• Date (YY/MM/DD)

• Heure (hh :mm :ss)

• Rosée (%) entre 0 sec et 100% immergé (gouttes d’eau sur le capteur)

• Eclairement (lux)

• Densité de flux thermique (watts/m2) cf. le code pour connaitre le coefficient de luminance utilisé

• Humidité relative de l’air (%)

• Température de l’air (°C)

• Humidité du boitier (%)

• Température du boitier (°C)

• Pression atmosphérique (hPa)

Ressources

Les calculs sous R pour établir les valeurs de l'ETP

Le réseau Centipède RTK

est un réseau collaboratif de bases GNSS ouvertes et disponibles pour toute personne se trouvant dans la zone de couverture. Le réseau est étendu par des instituts publics, des particuliers, des acteurs privés comme les agriculteurs ou d’autres partenaires publics.

Construire son rover RTK à moindre coût

modèle RTK V5.1

3D du boitier

GNSS RTK Surveyor

Conceptions Pecnot'Lab

Un monopode avec Antenne, RTK Surveyor et tablette

avec niveau à bulle, pieds pour pouvoir être posé à terre, rallonge de support pour tablette

Ressources utiles

Résumé

Afin de mesurer le pool labile de carbone organique du sol, le set Biofunctool utilise une méthode d’oxydation au Permanganate de potassium (KMnO4) : abrégé protocole POXC nécessitant une agitation chronométrée et régulière avant lecture du résultat au spectromètre.

Cet agitateur de laboratoire, déployable sur le terrain, permet de traiter indépendamment 4 échantillons, chacun contrôlé par un simple bouton de déclenchement de la procédure. Il est également adaptable à d’autre programmes et contenants. Par exemple il peut être utilisé pour le protocole de mesure de l’azote minéral (Nmin).

Description

Le protocole POXC peut être résumé par les étapes suivantes : une petite quantité de sol (2,5g) extraite dans 18ml d’eau réagit pendant 2 minutes précisément au contact d’une solution de KMnO4 (2ml) par une agitation homogène de l’échantillon, puis repose 10 minutes avant lecture du résultat au spectrophotomètre.

Cette procédure était jusqu’à présent réalisée manuellement. Les agitateurs du commerce ne permettent pas de traiter les échantillons indépendamment les uns des autres et donc de respecter les 2 minutes par tube. Cependant cette phase de réaction, temps précis et mouvement homogène, est un paramètre critique sur la précision et la fiabilité du résultat. De plus, l’agitation manuelle est chronophage et d’une pénibilité certaine pour l’utilisateur. Les agitateurs commerciaux, non adapté à ce protocole, ne sont également pas destinés à un usage sur le terrain et sont onéreux.

Malgré l’engouement pour l’indicateur POXC en santé des sols, nous ne connaissons aucun instrument permettant d’automatiser la manipulation référencée à ce jour. Nous proposons ainsi un instrument capable de résoudre ces différents blocages techniques :

• Traitement individualisé des échantillons

• Chronométrage précis de l’agitation et du repos

• Déployable sur le terrain

• Cout modéré

Cet agitateur (figure 1) permet de traiter 4 tubes de type Falcon 50ml ou pilulier en verre 30ml. Chaque échantillon est fixé orthogonalement à l’axe d’un servomoteur (DFRobot SER0053) au moyen d’un clip imprimé en PETG (fichier 3D disponible). Ce clip se compose d’une base pentagonale (partie mâle) vissée à l’arbre du servomoteur et du clip lui-même (partie femelle) venant s’insérer sur la base et se verrouiller au moyen d’une goupille (demi trombone à papier). Voir figure 2, ci-dessous. Ce système permet de changer facilement de clip : différents diamètres en fonction des tubes, casse d’un clip, rangement…

A chacun des 4 servomoteurs dépend un bouton poussoir pour déclencher l’agitation et une LED RGB pour indiquer l’état de la procédure :

• Éteinte et servomoteur en marche : agitation en cours (2min)

• Rouge : agitation terminée ; période de sédimentation avant analyse (9min 30s)

• Vert clignotant : échantillon bientôt prêt à être analysé (30s)

• Vert continu : échantillon prêt à être analysé ; procédure terminée.

• Un indicateur sonore (buzzer) unique, complémente l’état de la procédure afin de permettre à l’utilisateur de s’éloigner de l’instrument pendant la phase d’attente.

• Deux bip long (0,5s ON ; 1s OFF) : 3min avant la fin de la procédure pour le premier échantillon lancé uniquement.

• Trois bip court (0,2s ON ; 0,2s OFF) lorsqu’un échantillon est prêt à être analysé

• Un sélecteur (commutateur à glissière) situé sur le dessus de l’agitateur permet de sélectionner l’un des deux programmes préenregistrés

• POXC : 2min d’agitation ; 10min de repos

• Nmin : 5min d’agitation ; 1min de repos.

Cette sélection se fait lors de la mise sous tension de l’instrument (boucle setup() du programme du microcontrôleur). Ensuite, pendant le fonctionnement, le sélecteur est désactivé afin d’éviter une erreur de manipulation. D’autre programmes sont possibles en modifiant les variables « timer » dans le code.

Le système de contrôle est un microcontrôleur de type Arduino Nano. La position angulaire de chaque servomoteur est recalculée à une fréquence de 20ms pour respecter une agitation relativement lente (cycle de 2s).

Un circuit imprimé (figure 3) simplifie les connections et le montage de l’agitateur. Il permet également de gérer l’alimentation électrique, du microcontrôleur (5V) et des servomoteurs (6V). Il accepte des tensions d’entrée entre 12V et 35V DC, via une fiche Jack 5.5/2.1mm.

La structure de l’agitateur, imprimé en PLA, est composée de 5 parties (figure 4) :

• L’extérieur, ou vienne se visser les servomoteurs.

• L’intérieur, décomposé en 3 afin de simplifier l’impression (sans supports) et le montage

o Le boitier avec le circuit imprimé

o Le dessus du boitier pour amener les fils vers le dessus.

o Un couvercle en dessous pour fermer

• Un « chapeau » sur le haut, sur lequel sont fixés les LED, boutons et le commutateur.

Matériel et ressources

Montage

Présentation de la démarche de montage, pas à pas, avec un PCB. Sinon, il faudra également souder les pistes, selon le plan de câblage sur une plaque 11x4cm.

Rassembler les fournitures nécessaires. Imprimer les pièces selon des paramètres standard (épaisseur de couche 0.2mm) en PLA à l’exception des clips en PETG, pour plus de souplesse.

• Relier les masses des servomoteurs entre elles et les alimentations. Utiliser éventuellement un fil de plus gros diamètre (ex : AWG 22)

• Câbler les LED et les boutons poussoirs (fils env. 20cm). Relier les masses des boutons entre elles

• Protéger les soudures avec de la gaine thermorétractable.

• Souder l'ensemble des composants sur le PCB (les petits condensateurs sont accessoires).

• Installer le dissipateur thermique sur le régulateur 6V (L7806) avec une vis M3x4

• Nettoyer le circuit à l'alcool et le sécher.

• Téléverser le programme dans l'arduino Nano.

Assemblage

• Commencer par fixer les servomoteurs au support avec les vis M2x16. (fig. 7)

• Coller les LED avec de la colle à chaud (démontage possible) ou de la cyanolite (démontage impossible) et mettre en place les boutons ainsi que l'inverseur à glissière.

• Vérifier que les numéros sur le boitier, et sur les fils des LED, servo, boutons correspondent. (Étiqueter les câbles)

• Passer l'ensemble des câbles dans la partie haute et basse du boitier. La partie haute vient en buttée sur de petits débords intérieurs. Bien positionner la partie basse pour que les trous de vis coïncident avec la structure. Il n'est pas nécessaire de coller (fig.8)

• Souder les fils au PCB et prêtant attention à la numérotation.

• Toutes les informations de soudure : composant, valeurs, numérotation... sont écrites sur le PCB. L'inverseur à glissière vient sur la broche EXRA 1 (pin 19, voir schéma de câblage)

• Visser le chapeau, le boitier au support et le couvercle du boitier (en dessous) avec les vis POZI 2.2 12mm

Installation des clips :

• Assembler les clips (base + clip + 1/2 trombone).

• S'assurer que les servomoteurs sont en position 0 (reset arduino) et mettre en place les clips sur l'arbre de chaque servo. L'ajustement est volontairement très serré, il est nécessaire de préchauffer légèrement la base sur clip pour l’insérer, ce qui gravera les crans sur celle-ci.

• Retirer le clip, ajouter un point de colle cyanolite, et le remettre en place. Verrouiller le tout avec la vis M2x6.

L'Agitateur est prêt à être utilisé ! Il accepte des sources d'alimentation entre 12 et 35V. La plupart des petits transformateurs 220V pour appareils électroniques avec une fiche jack 5.5/2.1 feront l'affaire.

Caractéristiques techniques du data logger et de la sonde

Principe général

Le dispositif d’enregistrement piézométrique développé est composé deux parties indépendantes :

· Un enregistreur de données « data logger » (fig. 2), autonome en énergie pourvu d’une connexion wifi et d’une interface web. C’est son développement qui est au cœur du projet. Un boitier imprimé en 3D (PETG) permet sa protection et sa mise en place dans le tube du piézomètre (fig 1)

· Une sonde piézométrique immersible (fig. 3). Celle-ci est connectée au data logger par un câble et une broche. Elle est également pourvue d’un tuyau afin de compenser mécaniquement la pression atmosphérique au moyen d’un capteur différentiel. Nous l’avons sélectionnée et achetée chez un constructeur spécialisé en chine (WNK sensors).

Le raccordement des deux se fait au moyen d’un connecteur « aviation » trois broches. (fig. 7)

La mise en place sur le terrain dans des sols hydromorphes est comparable aux sondes « classiques » type SDEC, dans un tube PVC entouré de géotextile (fig. 1).

Le data logger

Le dispositif est conçu autour de la carte DFRobot Firebeetle équipée du microcontrôleur ESP32. Nous exploitons au maximum les fonctions et les composants embarqués afin de minimiser l’ajout de composants externes. Cette conception permet de réduire les coûts, la consommation électrique, le temps de conception et la taille du data logger. Le circuit (fig. 4) est finalement très simple.

Le but du data logger est d’exploiter la sonde piézométrique pour acquérir les données de hauteur d’eau. La fréquence de mesure est paramétrable dans le fichier config.json (en minutes). Moins de 3 secondes sont nécessaires pour réaliser une acquisition de données Entre deux mesures le dispositif est donc mis en veille (consommation en phase de mesure env. 80mA , en veille < 20µA). Équipé d’une batterie lithium d’une charge moyenne de 3200mAh le calcul d’autonomie du data logger dépasserait les 8 ans sans considérer la décharge spontanée de celle-ci.

La sonde

C’est un capteur de pression différentiel au silicium fonctionnant sur l’effet piézométrique. La réponse électrique est proportionnelle à la contrainte mécanique exercé par la pression de la colonne d’eau. La mesure est analogique : elle varie sur l’intervalle 0.1-3.2V. La sonde contenant le capteur est construite en acier inoxydable, elle assure un indice d’étanchéité IP68. Un câble permet l’alimentation et la communication avec le data logger ainsi qu’une prise d’air atmosphérique pour le capteur différentiel (fig. 6). Il n’est donc pas nécessaire de compenser la pression atmosphérique a posteriori avec la pression barométrique pour déterminer la hauteur d’eau.

Ces sondes sont commandées personnalisées chez le constructeur chinois WNK (référence : 8010TT). Nous avons ainsi choisi une gamme de pression de 0-1mH2O, une tension d’alimentation de 3.3V, une sortie analogique 0.1-3.2V, une longueur de câble de 2m (recoupé a 1.15m ensuite). La justesse de mesure annoncée est de ±5mm et la stabilité de ±2.5mm/an. Elles supportent des environnements corrosifs (tel que les eaux acides d’une tourbière) et fonctionnent entre -20 et 85°C.

Communication

Le choix du mode de communication avec le dispositif s’est porté vers un serveur web. Les ESP32 sont destinés aux utilisations IoT et sont donc performant pour toutes les applications Wifi et web. Le serveur web permet une interface dynamique et ergonomique, nous avons donc conservé cette option et opté pour la bibliothèque déjà implémenté par Expressif dans l’API arduino-esp32 : WebServer.h. Plusieurs pages ont ensuite été éditées en langage html.

Deux types de connexion WiFi sont possible :

· STA (mode Station fig. 4): Le data logger se connecte à un réseau WiFi fournit par un Router (ex : box internet du bureau). Le client (ordinateur, smartphone) est également connecté à ce même réseau local et accède au serveur hébergé par le datalogger au moyen d’une adresse IP fixe. Si le Router dispose d’une connexion internet alors la date et l’heure du data logger sont mis à jour via un server NTP. Ces paramètres wifi sont enregistrés dans le fichier config.json

· AP (mode Acces Point, fig. 5) : Le data logger crée lui-même un réseau WiFi local. Le client vient se connecter à ce réseau et peut également accéder au serveur du data logger. Ce mode permet de se connecter directement au datalogger sur le terrain sans passer par un router. Il ne permet cependant pas de mettre à jour l’heure et la date, puisque le réseau n’est pas connecté à internet.

Fournitures & fichiers

Montage

Réaliser le montage (fig. 6). La broche GPIO36 (ADC1_CHANNEL_0) de l’ESP32 sur la carte FireBeetle est reliée à un pont de résistance (1MΩ + 1MΩ) (cf fig. 7) connecté aux bornes de la batterie. Une lecture analogique de cette entrée permet ensuite de connaitre la tension de batterie en multipliant par un facteur 2 (loi de Kirchhoff). Il faudra néanmoins fermer le circuit en court-circuitant les résistances R10 et R11 de 0Ω en réalisant deux soudures délicates (fig. 8).

Placer le montage dans le boitier. Attention au connecteur 3 broches qui s’assemble par l’extérieur (fig. 9) . La carte Firebeetle s’emboite dans son emplacement, aucune vis ou colle n’est à prévoir pour le montage.

Instructions de configuration

Ouvrir le fichier data/config.json avec un éditeur de texte classique (bloc-notes windows par exemple) et configurer l’ensemble des paramètres voulus. Ceux-ci sont stockés indépendamment du code compilé, il est donc possible de les modifier par la suite.

• SSID : nom du réseau (connexion STA)

• pass : mot de passe (connexion STA)

• Piezo_name : le nom de la sonde (et pas du logger !)

• Zero_lvl : la tension d’initialisation. Ne pas modifier sans raison particulière

• Sleep_time : le temps de mise en veille entre deux mesures (en minutes)

Sauvegarder

Ouvrir le code ESP32dataloggerINO.ino avec ArduinoIDE 1.8 et connecter le logger en USB.

• Renommer le datalogger ligne 28 (#define PiezoRef "nom_piezo")

• Modifier éventuellement les paramètres de connexion AP (voir document descriptif pour connexion AP et STA)

Nom du réseau ligne 49 : *ap_ssid

Mot de passe ligne 50 : *ap_password

• La TimeZone si le fuseau horaire est différent de la France métropolitaine. (Ligne 82)

• La fonction de calibration signal analogique ~ grandeur physique mesurée si l’utilisation est différente de la sonde piézométrique WNK8010TT (log_data ligne 387 & HomePage ligne 575)

Sélectionner dans le menu « outils » la carte DFRobotESP32Arduino/ESP32 FireBeetle ESP32 (fig.10 jaune). Choisir ensuite PartitionScheme/No OTA (1Mb APP/3MB SPIFFS). (fig.10 violet)

Téléverser le code.

Ouvrir le moniteur Serial (baudrate 115200) puis appuyer sur le bouton pour réveiller le data-logger. Vérifier qu’aucune erreur n’apparait:

• SPIFFS et JSON fonctionnels (dans le cas inverse, le logger ne fonctionne pas et n’affichera pas la suite)

• L’initialisation et la calibration du cristal 32KHz (fig. 11 rouge)

• La connexion WiFi AP et STA (connexion WiFi au réseau local est bien établie « connected to SSID», « STA status = 3 » ; (fig. 11 bleu).

• L’initialisation NTP de l’horloge (fig.11 jaune), connexion internet nécessaire.

En cas de difficultés pour le datalogger de se connecter à internet (horloge non mise à jour) ou si le serveur est inaccessible en STA alors que la connexion est valide, le problème est probablement imputable à l’adressage IP statique. Dans ce cas:

• Commenter les lignes suivantes pour désactiver l’adressage IP statique (ligne 913)

• Téléverser à nouveau le code, ouvrir le port Serial et réveiller le logger

• Récupérer les informations sur le réseau (fig. 11 bleu) et mettre à jours les paramètre d’IP statique ligne 56

  Gateway (Gateway IP)

  Subnet (Subnet Mask)

  Local_IP (ESP32 IP)

• Téléverser à nouveau le code et vérifier le bon fonctionnement.

Dans le cas d’un réseau créé via un point d’accès smartphone (utilisation sur le terrain), les paramètres réseaux sont habituellement de la forme:

Le mode AP

Sur le terrain, il est plus simple d’établir une connexion directe avec le data-logger plutôt que de passer par un router. Dans ce cas la procédure est la suivante

• Réveiller le data-logger en appuyant sur le bouton

• Sur le smartphone ou la tablette, rechercher le réseau WiFi « ESP32 » et s’y connecter (mot de passe par default scopsagne) (fig. 12)

• Cette page d’accueil affiche (fig. 13):

o Le nom du logger (piezo test 1)

o Le nom de la sonde (test)

o L’heure et la date

o Le niveau d’eau lu (autour de 1cm une fois initialisé, et non 0 car la linéarité du convertisseur ADC n’est pas très bonne dans les 5 premiers et derniers centimètres.)

o Le niveau de batterie (env. 4.2V si chargé)

o Les liens vers les autres pages (initialisation, directory…)

Utilisation

Une fois le datalogger configuré au bureau ou en mode STA avec connexion internet il est important de ne pas réinitialiser le logger par un appui sur le bouton Reset ou en débranchant la batterie, sous peine de remise à zéro de l’horloge (01/01/1970).

Mise en place sur le terrain :

• Connecter la sonde configurée dans le fichier config.json au logger.

• Réveiller le logger

• Vérifier les informations de la page d’accueil

• Hors du « puit piézométrique », initialiser la sonde (bouton Initialize). Cette étape défini la référence atmosphérique de la sonde et permettra de débuter les mesures le lendemain à 00 :00 afin de synchroniser l’ensemble des instruments sur site.

• Déconnecter le logger (bouton disconnect)

Pour récupérer des données enregistrées:

• Se connecter au logger (AP ou STA)

• Aller sur la page directory

• Copier le nom du fichier de données (ex : test_piezo_test1.csv, fig. 14)

• Coller dans le champ de la page download et valider (fig. 15)

• Le navigateur enregistre le fichier.

Pour reconfigurer le logger via le serveur:

• Télécharger le fichier config.json (même procédure que pour les données)

• Le modifier avec un éditeur de texte

• Le transférer à nouveau sur le logger via la page Upload. Le nouveau fichier de configuration doit avoir un nom identique (config.json) et il remplacera automatiquement l’ancienne version.

• Retourner sur la page d’accueil et vérifier le bon fonctionnement.

Le slake test est simple à réaliser, il nécessite principalement un lot de 18 petits tamis (grille de 1.65mm, diamètre =2.5cm ; fig. 1). Ces tamis peuvent être réalisés à partir de tube PVC et d’une grille de maille correspondante, collée ou thermosoudée. Dans l’esprit biofunctool, afin de faciliter leur production à partir de technologie d’impression 3D nous avons réalisé un modèle prêt a l’impression (fig. 2). En 10 heures l’ensemble de ces tamis peut être imprimé. Il faudra ensuite penser à les lester à moyen de fil de fer (fig. 3). Un « rondin PLA » à imprimer, peut servir de gabarit pour donner forme au fil de fer. Il permet d’enrouler le fil autour, il suffit ensuite de découper 4 spires puis de les insérer dans le tamis et les solidariser avec de la colle cyanolite.

fourniture: * Gaine de dissuasion souple en polyéthylène qui protège les jeunes plants contre les chevreuils.

Téléchargez les fichiers stl pour l'impression en 3D

Il s'agit de réaliser un pont diviseur avec 2 résistances pour abaisser la tension de la batterie à tester sous 5 v. La batterie est branchée sur Vin.

Ici pour tester une batterie 3S 12.6 v on prend des résistances R1 à 1.18 kOhms et R2 à 3.3 kOhms. R2 est placée côté Vin, R1 côté Gnd. Entre les deux résistances on place une liaison vers la pin analogique A0. Ici la valeur du pont diviseur est 1/3.797. Avec une batterie en pleine charge (12.6 v) la tension au niveau de la pin analogique A0 est de 3.3 v. On doit multiplier Vout lue par l'arduino par 3.797 pour connaitre Vin.

Calculateur pour évaluer le pont diviseur de tension: http://www.calculatoredge.com/electronics/voltage%20divide.htm

Les Led sont connectées aux pin digitales 10,11 et 12

Les membranes échangeuses anioniques sont onéreuses et doivent être manipulées avec précaution. Leur mise en place sur le terrain peut être délicate ainsi que leur récupération après plusieurs jours enterrées. L’utilisation d’un support rigide simplifie ces manipulations. L’entreprise canadienne WesternAG spécialisé dans les analyses de membranes échangeuse, commercialise les « PRS Probes » (Hammermeister, McDonnell, and Hancock, n.d.). Elles sont fournies sur un support (fig. 1). A Eco&Sols, des exemplaires de supports « DIY » découpés dans du plastique étaient déjà existantes. (fig. 2).

Les technologies d’impression 3D permettent de réaliser ce type d’objet relativement simplement et rapidement. Nous avons donc conçu un modèle 3D pour l’impression (fig. 4) en prenant exemple sur les deux produits ci-dessus. Celui-ci se compose d’une partie support, rigide (en PLA) et d’un cadre (souple, PETG) qui vient se clipper dessus, en comprimant le contour de la membrane (fig. 3). Celle-ci doit donc être surdimensionnées de 5mm en longueur et en largeur.

Réalisation

Imprimer les pièces avec une hauteur de couche de 0.1mm, un remplissage de 80%. Le support en PLA, le cadre en PETG.

Pour fermer le clip, l’insérer par le bas (coté « pointe » du support), puis insérer progressivement les côtés du bas vers le haut. Appuyer enfin sur l’ergot en haut pour insérer complètement le clip.

Pour l’ouvrir, si besoin, utiliser un petit tournevis plat dans la fente de l’ergot et faire levier.

Références

Brauman, A. 2020. “Biofunctool® : un outil de terrain pour évaluer la santé des sols, basé sur la mesure de fonctions issues de l’activité des organismes du sol.” Etude et Gestion des Sols, 16.

Hammermeister, E H, A McDonnell, and S Hancock. n.d. “A Summary of Western Ag’s Fall 2009 Field Soil Testing Results.”