Capteur de qualité de l'air solaire basé sur Helium : Guide de conception et déploiement

Vue d'ensemble du système

Face à la prise de conscience environnementale croissante, j'ai construit un réseau de capteurs de qualité de l'air sans fil, autonome, résistant aux intempéries et alimenté par l'énergie solaire — connu sous le nom de WSPAQS — qui peut être déployé n'importe où dans le monde et diffuse les données en temps réel via le réseau Helium.

La suite de capteurs mesure le CO₂ et les composés organiques volatils (COV), et intègre un capteur tension/courant pour surveiller la charge solaire. Elle utilise un Arduino Uno pour l'acquisition de données, un Raspberry Pi 3 pour le traitement et la publication MQTT, et un kit de démarrage Helium pour la connectivité LoRaWAN. Un panneau solaire Adafruit 6 V, un convertisseur portable 24 VAC/VDC vers USB et une batterie portable modifiée fournissent une source d'alimentation fiable.

Composants

• Arduino Uno (carte capteur)
• Raspberry Pi 3 (relais de données)
• Kit de démarrage Helium (passerelle LoRaWAN)
• Panneau solaire Adafruit 6 V
• Convertisseur 24 VAC/VDC vers USB (PCB personnalisé)
• Batterie portable (modifiée)
• Module capteur tension/courant
• Connecteur à broches empilable Arduino (≈ 4 $, SparkFun)

Liste des pièces : Lien court Digikey

Étapes d'assemblage

1. Préparer le pack batterie

Démonter une batterie portable standard et tester chaque moitié pour la compatibilité de tension. Une fois confirmé, re-souder les deux moitiés ensemble et ajouter deux fils à la sortie pour alimenter la passerelle Helium et l'array de capteurs Arduino.

2. Installer le panneau solaire

Montez le panneau solaire 6 V sur une surface lumineuse et dégagée et connectez-le au convertisseur. Cela assure une charge continue en journée et stocke l'énergie pour le fonctionnement nocturne.

3. Modifier la batterie pour la compacité

Découpez le boîtier de la batterie pour l'adapter au boîtier 7 pouces, puis re-soudez les extrémités coupées. Fixez les fils de sortie d'alimentation pour que le pack alimente proprement l'ensemble de l'array de capteurs.

4. Fabrication du PCB

Le PCB personnalisé est disponible sur PCBWay. Téléchargez le fichier Gerber pour un délai de 7 jours. Commandez la carte pour 5,00 $.

5. Soudure de la carte

Commencez par les composants CMS. Utilisez de la pâte à souder basse température et un four pour le refusion. La tresse à dessouder aide à nettoyer l'excès de soudure. Un fer à souder à pointe fine est essentiel pour les petits pads.

6. Schéma de câblage

• Le contrôleur de charge est inutile pour une batterie au plomb ; le panneau doit charger la batterie sans dépasser 2–5 V au-dessus de la tension de la batterie.
• Fixez le ventilateur du côté du capteur de tension pour journaliser précisément la consommation de courant. La carte accepte jusqu'à 24 VDC, laissant une marge suffisante pour l'expansion.

Gestion de l'alimentation

En plein soleil, une entrée 7 V DC consomme entre 0,525 A et 1 A avec le ventilateur en marche — soit environ 144 Wh par jour. Par conséquent, un panneau solaire minimum 12 V, 5,2 W est requis, et la batterie doit fournir au moins 12 V DC. Le système n'initiera la transmission qu'en présence d'une alimentation stable 7 V DC.

Test de la configuration

Vérifiez toutes les connexions avant la mise sous tension pour éviter d'endommager les composants. Une fois confirmé, l'array de capteurs devrait fonctionner parfaitement, rapportant les niveaux de CO₂ et COV en temps réel.

Transmission des données

Les données arrivent via Helium MQTT sous forme de chaîne brute : V 6 : A 2 :T 30: C02 555: VOC 7293. Celle-ci doit être analysée en métriques individuelles avant d'être envoyée à une plateforme de surveillance.

Intégration Node‑RED pour Librato

Node‑RED peut diviser la charge utile MQTT en champs étiquetés :

msg.payload = msg.payload.replace(/V /g, 'Voltage: ').replace(/A /g, 'Current: ').replace(/T /g, 'Temperature: ').replace(/C02 /g, 'CO2: ').replace(/VOC /g, 'VOC: ');

Après analyse, transférez chaque métrique vers Librato. L'API Librato accepte du JSON ; chaque métrique est publiée comme un point de jauge.

Configuration Librato

1. Connectez-vous à Librato et accédez à Intégrations > Jetons API.
2. Cliquez sur Générer un nouveau jeton API et donnez-lui un nom descriptif.
3. Copiez le jeton et notez l'adresse e-mail associée.
4. Dans votre flux Node‑RED, configurez le nœud HTTP Librato avec le jeton et les noms de métriques souhaités.
5. Testez le flux ; les données devraient apparaître dans votre tableau de bord Librato en quelques secondes.

Construction du boîtier

Le boîtier se compose d'une base, quatre pieds (deux avant, deux arrière), un couvercle, un support pour panneau solaire et de petites attaches. Nettoyez les pièces imprimées en 3D, puis taraudez à la main tous les trous 8-32 avec un taraud avant de visser le couvercle en place. Assemblez le boîtier avant d'insérer l'électronique pour garantir un ajustement parfait.

Conclusion

Le capteur de qualité de l'air alimenté par Helium fournit des relevés précis de CO₂ et COV, fonctionne de manière autonome sur l'énergie solaire et diffuse les données vers Librato pour une analyse en temps réel. Avec un coût minimal et un assemblage simple, ce système est idéal pour la surveillance environnementale dans des lieux isolés ou hors réseau.