29 mai 2024

Une station météo autonome et connectée V2.0

Améliorations portées sur la station cette année.

  • L’autonomie
    • En remplaçant la carte Arduino de la station par une carte SparkFun RedBoard qui consomme beaucoup moins, en particulier en veille.
    • En doublant la surface de panneau solaire en passant de 2 à 4 cellules solaires 5,5 V/540 mA
    • En remplaçant le module wifi par un module LoRa pour émettre les données.
    • En utilisant la mise en veille et les interruptions de l’Arduino pour le fonctionnement de certains capteurs.
  • La maintenance
    • Deux emplacements ont été aménagés dans le boitier de la station pour abriter un câble USB à demeure et pour le rangement de la batterie. Il est donc possible d’intervenir sur la station sans démontage.
    • La fixation et la protection des panneaux solaire a été entièrement revue pour permettre un montage et entretien plus facile. Une lame d’air a été aménagée entre la protection et les panneaux solaires pour éviter les problèmes de condensation
  • La réalisation par les élèves
    • La structure de la station est réalisée en tube PVC diam 40mm, ce qui permet une réalisation plus simple par les élèves, une grande modularité, un faible coût, et le passage de l’intégralité du câblage.
  • Capteurs
    • Un pluviomètre, un anémomètre et une girouette ont été ajoutés à la batterie de capteurs.

Objectifs pédagogiques

Au fur et a mesure de la réalisation du projet, je me suis aperçu de la richesse pédagogique de ce projet.
Quelques exemples des sujets abordés

  • Travail autour du cahier des charges de chaque sous ensemble de la station météo.
  • La notion de capteurs, en différenciant :
    • les capteurs logiques (anémomètre, pluviomètre)
    • les capteurs numériques (température)
    • les capteurs numérique sur bus I2C (luminosité, baromètre)
    • les capteurs analogique (Girouette).
  • Les cartes microcontrôleurs avec la notion de système autonome.
  • Les réseaux informatiques, avec la liaison entre la station météo et internet. L’adressage IP
  • Les communications numériques avec la notion de protocole (LoRa, Ethernet, TCP/IP, HTTP)
  • Les ondes électromagnétiques avec des essais de portée autour de LoRa en jouant sur les longueurs d’antenne.
  • Le mesure d’intensité, de tension, de puissance. Comparaison des consommations de plusieurs cartes. La mise en veille etc..
  • Les notion de circuit série/parallèle avec le branchement de plusieurs cellules solaires.
  • La conception/réalisation de pièces 3D complexes à l’aide d’imprimantes 3D.
  • Le travail en équipe et la mutualisation du travail de plusieurs équipes.
  • Un travail sur le tableur avec le calcul du coût des composant et le relevé des consommations avec plusieurs configurations.
  • La représentation graphique, avec les croquis, les schémas, les dessins papier à l’échelle 1:1 et les dessins 3D numériques
  • Le partage de connaissances et la valorisation du travail de chacun autour des revues de projet.

L’enregistrement des données

Un nouveau module a été utilisé pour relayer les données provenant du module LoRa vers internet (carte Arduino Uno associée à un shield Ethernet). L’avantage de cette solution, en plus d’une baisse de la consommation de la station météo, c’est d’avoir une meilleure intégration dans le réseau de l’établissement.

Les choix de matériel

Pour la station météo
carte SparkFun RedBoard
Shield Grove
Shield solaire
4 Cellules solaires SOL3W
5,5 V/540 mA – 160 x 138 mm
Accu LiPo 3,7 Vcc 4000 mAh
Capteur de température et d’humidité
Capteur luminosité
Capteur pression atmosphérique
Module LoRa Grove
Anémometre
Girouette
Pluviomètre à godets
Pour le relais LoRa Ethernet
Carte Arduino Uno et shield Grove
Shield Ethernet
Module LoRa Grove

La répartition du travail avec les élèves

  1. Un groupe de 5 élèves a travaillé sur
    • la forme du boitier,
    • l’intégration de la boite à câble,
    • l’intégration du compartiment batterie.
  2. Un groupe de 5 élèves a travaillé sur la fixation, la protection et le câblage des panneaux solaires.
  3. Un groupe de 5 élève a travaillé sur l’autonomie en énergie de la station météo.
    • En documentant les apports jour/nuit et hiver/été (utilisation d’une batterie)
    • En réalisant des mesures de consommation sur différentes configurations (Arduino UNO, et SparkFun RedBoard avec ou sans veille, avec ou sans shield solaire).
  4. Un groupe de 5 élèves a travaillé sur
    • l’enregistrement des données sur la plateforme ThingSpeak
    • Imaginé la liaison LoRa/Ethernet et la programmation du relais.
  5. Un groupe de 5 élèves a travaillé sur :
    • La liste des mesures météo à réaliser.
    • La définition et programmation des différents capteurs.
    • Vérifié que le projet respectait une enveloppe budgétaire.
  6. Enfin, le dernier groupe d’élève a :
    • Défini l’emplacement pour implanter la station météo en fonction des contraintes environnementales du collège.
    • Dessiné une solution modulaire pour attacher les différents composants de la station météo au mat.
    • Dessiné l’architecture du mat et l’emplacement des différents composants en se souciant de la fibilité des