Il y a quelques temps, je me suis lancé un défi: Développer un capteur température/humidité sur pile en WiFi qui reviennent à moins de 10 € (tout compris) avec une autonomie acceptable (minimum 1 an). Dans mon cas, l’objectif est d’aboutir à un produit fini. (élec, soft, méca, boitier)

Je vois beaucoup, ici et là, des propositions de travaux pour se fabriquer son propre capteur mais ce ne sont (la plupart du temps) que des briques à assembler pas souvent aboutis.

Cette fois ci, je souhaitais faire quelque chose de plus professionnel et exploitable. En effet, un PCB nu sur la table à manger ou dans une chambre, c’est bien un instant mais c’est inexploitable sur le long terme.

Je vais donc partager tous mes travaux afin que vous puissiez reproduire le capteur chez vous. Attention, je ne fais pas de miracle. Pour pouvoir atteindre mes objectifs, le capteur ne remontera ses données que toutes les 2 heures. On verra dans la suite du projet comment améliorer la réactivité mais ne rêvez pas trop quand même :).

Parce que ces travaux sont longs et que je ne souhaite pas trop résumer le projet, je vais le diviser en plusieurs parties.

Je commence par l’étude puis la conception et enfin la réalisation avec les différents essais pour aboutir au produit final.

Etudes

Quand on regarde l’intitulé du projet, on s’aperçoit qu’il va falloir gérer plusieurs notions importantes et surtout régler certaines inconnues.

En effet, la plus grosse partie de l’étude réside dans la combinaison WiFi / Pile / Autonomie. Disons le clairement, le WiFi n’est pas fait pour les objets connectés. Il est trop gourmand en consommation, ne porte pas loin et son débit n’est pas adapté. Autrement dit, WiFi et objets connectés ne sont pas fait pour cohabiter. MAIS …

Pourquoi avoir choisi cette technologie ?

Je suis parti sur cette technologie pour plusieurs raisons:

1- Le prix
2- Grâce aux box ADSL, le WiFi est déjà disponible dans les maisons
3- « Les gens » connaissent le principe du WiFi pour le paramétrage

Le plus gros défi dans ce projet est la consommation d’énergie. Comment notre objet peut consommer le moins possible ?

Le mode « Sleep »

La méthode la plus répandue pour limiter la consommation est de passer le module en mode « sleep ». Cette méthode consiste à mettre en « hibernation » le microcontrôleur et de le réveiller tous les X temps de manière récursive. Ceci permet d’économiser énormément. Cependant, oubliez le fonctionnement en mode serveur qui impose d’être éveillé constamment.

Dans ce mode, il faut bien calibrer les temps de réveil et d’endormissement afin d’optimiser la consommation d’énergie.

Malgré tout, même si le microcontrôleur est en hibernation, il consomme toujours un peu et cela dépend, bien entendu, de comment sont gérés les périphériques, de quel horloge / oscillateur on utilise (interne, externe, …) et de la conception intrinsèque du micro.

Je suis parti avec le module ESP8266 sous forme ESP12F car c’est la combinaison MCU/WiFi la moins chère du marché et avec une communauté immense.

Avec ce module, on est confronté à 2 problèmes dans ce mode:

• Le premier est qu’en mode « hibernation », le module consomme quand même environ 60uA (alors oui ça vous paraît peut-être peu mais les micros de dernière génération consomment 30 fois moins avec des périphériques « actifs »). D’ailleurs, les specs annonces 10uA mais je n’ai jamais réussi à les atteindre.
• Le mode éveillé (émission WiFi) consomme en moyenne 90mA avec des pics allant jusqu’à 350mA.

Il faut donc que l’acquisition des données des capteurs + l’émission en WiFi dure le moins de temps  possible.

Avec ces données, on peut effectuer notre premier calcul de consommation. Si on part sur une émission de 6 sec toutes les 2 heures pendant 1 an, voici les résultats :

Conso = ((6*90 + 7194*0.06) / 7200) x 8760 = 1182 mAh sur 1 an

Le mode « timer » ultra low power

Comme son nom l’indique, cette méthode consiste à faire appel à un composant externe qui va réveiller tous les X temps le microcontrôleur. Le gros avantage, par rapport au « mode Sleep« , c’est la consommation. Le timer (ultra low power) ne va consommer que quelques nano ampères (env 35nA). Pendant que le timer compte, le micro+transceiver WiFi ne sont pas alimentés.

En gros, le timer va piloter l’alimentation du module et lorsque le module aura fini son travail, il commandera au timer de couper son alimentation.

Si l’on reprend les mêmes données que dans le « mode Sleep », voici les nouveaux résultats (émission de 6 sec toutes les 2 heures pendant 1 an):

Conso = ((6*90 + 7194*0.00004) / 7200) x 8760 = 658 mAh sur 1 an

Avec cette méthode, on est capable d’économiser 524mAh. (Ce qui n’est absolument pas négligeable).

Pour ne rien vous cacher, je suis parti sur le timer TPL5110. J’ai fait quelques recherches mais je ne trouve pas vraiment d’autres équivalences à ce produit. Il coûte 1€ sur Farnell, peut se réveiller au max toutes les 2 heures (au min quelques millisecondes) et ne consomme que 35nA… c’est parfait pour notre utilisation.

L’alimentation

Bien entendu, le but est de partir sur des piles ou batteries. Il va falloir donc trouver le bon compromis taille / rendement / capacité / tension / technologie.

j’avais déjà étudié la partie alimentation dans le test d’un régulateur pour booster la tension d’une pile.

La partie alimentation est, d’ailleurs, très importante dans l’étude car c’est elle qui conditionne souvent l’électronique à implémenter. Du coup, si le choix est judicieux, il y aura très peu d’électronique, voir pas du tout.

L’idéal étant de pouvoir se passer d’un régulateur de tension.

Quelles sont les caractéristiques qu’il faut respecter ?

Tout d’abord la tension.
Pour alimenter le MCU + Transceiver + les capteurs, il faudra idéalement une tension de 3.3V. D’ailleurs, c’est cette tension « référente » qui décidera du choix des capteurs et non l’inverse dans notre cas. En effet, les capteurs de température / humidité sont assez diversifiés à des prix assez bas pour choisir le(s) bon(s).

Ensuite la capacité.
Comme nous l’avons vu plus haut dans les calculs, il faudra une pile capable de délivrer environ 1000mAh pour que l’on puisse tenir au moins 1 an.

La technologie.
Pour éviter le régulateur, il est quasi indispensable d’être sur de la technologie Lithium. En effet, le cycle de vie du Lithium permet d’avoir une ligne de vie beaucoup plus stable que les autres technologies. l’inconvénient, c’est qu’il faut trouver une technologie Lithium capable de délivrer 400mA (à cause du WiFi) sans mettre à genou la pile.

La taille.
Il n’y a pas de secret, ni de magie. Plus la pile est petite, moins il y a de capacité. Selon la technologie, il y aura des petites différences mais ça ne sera jamais de l’ordre du simple au double pour le max…

J’ai donc retenu deux technologies de piles qui me semble répondre au plus de critères pour mon capteur:

• La CR123A au lithium manganèse
  
  La pile est assez répandue et vous pourrez même la trouver dans la grande distribution. Sur Amazon , vous pourrez l’obtenir facilement à partir de 3€ en mode blister. Elle a une capacité théorique d’environ 1500mAh et délivre une tension de 3V de manière plutôt très stable. Ces piles sont souvent utilisées dans les alarmes sans fils ou sur les défibrillateurs. Les appels de courants ne sont donc pas, à priori, un problème.
  
  Exemple de décharge pour ce type de pileLe seul gros problème va être pour les capteurs. Impossible d’utiliser (ou peu recommandé) d’utiliser les capteurs qui ont une tension minimale de fonctionnement de 3.3V.

• La CR123A rechargeable
  
  Cette pile a le même format que la pile précédente (a peu de chose près). Vous ne la trouverez pas dans la grande distribution mais plutôt exclusivement sur les sites asiatiques ou Amazon à partir de 2-3€
  Cette pile est rechargeable et fournit du 3.6V. Sa capacité théorique est très variable selon les marques (450mAh a 2800mAh) mais ne reflète quasiment jamais la réalité. La capacité de cette technologie de dépassera réellement jamais les 900mAh.

  Le lithium Ion a une tension de fonctionnement de 3.2v (le minimum à ne pas dépasser) à 4.2V (tension de charge maximum). Ces piles sont normalement protégées mais faites quand même attention à la charge et aux mauvaises manipulations.
  
  Exemple de décharge pour ce type de pile

  Comme je l’ai dit, l’alimentation est un point déterminant dans ce projet. Ces deux technologies de piles sont en mesure de répondre aux besoins (techno + prix)  mais en respectant certains points de conception ( que nous verrons plus tard). Le choix de la pile se fera en adéquation avec le choix du capteur…

Le capteur de température / humidité

Il existe énormément de capteurs de température (analogique, numérique) avec une multitude d’interfaces. Ce que je recherchais était un capteur de température mais aussi humidité car à mon sens la température seule n’est pas assez révélatrice du confort d’une pièce.

C’est pour cette raison que j’ai retenu les capteurs suivants :

 

• Le DHT11
  
  Ce capteur est un capteur lowcost ultra répandu qui fonctionne en 1-wire mais qui a pour inconvénient de n’être pas trop précis (surtout le capteur d’humidité). La résolution des valeurs remontées se fait à l’unité. Difficile de l’utiliser pour faire de la régulation mais suffisant pour avoir une mesure d’ambiance.
  Sa tension de fonctionnement de 3.3v à 5V.
• Le DHT22
  Tout comme son prédécesseur, le DHT22 est ultra répandu, un peu (voir beaucoup) plus cher mais qui cependant est beaucoup plus précis. La température a une résolution de 0.1 et une précision de 0.5°C environ. La partie humidité, elle, reste à l’unité mais avec une précision de 2-3%. Avec ce capteur, on peut aisément envisager de faire de la régulation.
  Sa tension de fonctionnement de 3.3v à 5V.
• Le BME 280
  
  Ce capteur est destiné à de l’électronique mobile. Sa taille et son empreinte fait qu’on le retrouve dans les téléphones portables ou autres objets mobiles. Son interface de dialogue est en I2C est permet d’obtenir une température, l’humidité relative ainsi que la pression atmosphérique. Il a la particularité aussi de ne pas avoir d’informations (datasheet) sur la précision de la température (j’ai pas trouvé). En effet la température sert surtout à compenser la pression… Le capteur d’humidité, lui, à une précision de +-2%.Pour l’avoir tester en pratique, le capteur de température à une précision au moins équivalente au DHT22. Cependant, il est moins accessible sur les plateformes communes et apparait sous forme de carte fille. Le prix est donc assez important pour ce type de produit (avoisinant les 7-8€). on peut tout de même le trouver seul à 4€ sur AliExpress.
• Le sensirion SHT21
  
  Un peu comme le BME280, quoi qu’un peu plus volumineux, ce capteur dialogue en I2C mais avec une meilleure précision des valeurs remontées. La température est annoncée avec une précision de +-0.3°C et une humidité à +-2%. Il est aussi un peu plus répandu que le BME280 mais aussi beaucoup plus cher puisque vous le trouverez seul à 7€ par exemple.
  
• Le HTU21D
  
  Le HTU21D ressemble à s’y méprendre au SHT21puisque qu’il utilise la même empreinte. Il a la même précision et résolution que le SHT21 mais coûte moins cher. On peut le retrouver en format seul mais aussi sous format « carte fille » sur Amazon par exemple (à 4-5€).
  Je vous avais déjà parler de ce capteur, car il apparaît dans le Broadlink A1

Enfin, nous avons fait le tour des différentes technologies et concepts afin de concevoir notre capteur de température / humidité WiFi sur pile.

Conclusion

L’étude représente une partie chronophage et un peu frustrante car on a hâte d’arriver aux résultats. Cependant cette partie est importante car elle explique les choix que l’on fait et nous permet parfois d’ouvrir nos horizons vers de nouvelles technologies.

Dans la ou les prochaines parties, je vous partagerai la conception du capteur, c’est à dire, la schématique, les design de cartes (en effet, il y a un design à produire avec une CNC et une plus abouti à faire produire), le choix du boitier ainsi que les meilleurs tarifs pour arriver en dessous des 10 € tout compris.

Je partagerai aussi mon plugin Jeedom afin d’exploiter les données sur votre domotique.

Enfin, pour célébrer le début du projet j’ouvre une nouvelle section dans mon github :

Le capteur s’appellera ESPIOT et le github sera alimenté au fur et à mesure des articles.

PS: voici une petite photo d’un prototype de capteur pour vous faire patienter: