Les capteurs électroniques peuvent surveiller des paramètres ayant un impact important sur notre santé. La qualité de l’air en est un. Le capteur BME680 du fabricant Bosch Sensortec permet d’évaluer la qualité de l’air ambiant et déterminer si elle est nocive ou non pour un être humain.

Cet article présente pourquoi et comment déterminer la qualité de l’air ambiant à l’intérieur d’un logement.

L’air à l’intérieur d’un logement est parfois beaucoup plus pollué que l’air extérieur (même en ville). Cette pollution peut avoir un fort impact sur notre santé. Dans cet article je me base sur 3 principaux paramètres pour déterminer la qualité de l’air :

• La concentration de composés organiques volatiles (COV)
• Le taux d’humidité relative
• La température

Les COV regroupent plusieurs gaz dont les effets sur la santé sont néfastes. Ils peuvent être irritants pour les voies respiratoires et favoriser puis aggraver les infections respiratoires comme la grippe ou le COVID-19.  Certains, comme le benzène, sont même considérés comme cancérigènes.

Les COV peuvent être dégagés par les peintures, le mobilier neuf, les produits d’entretien, les chaudières mal entretenues, …

Il est exprimé en % et indique le rapport entre l’humidité présente dans l’air et la quantité maximale d’humidité que l’air peut contenir.

Le taux d’humidité d’un logement doit être compris entre 35% et 60%.

Au dessous de 35%, l’air, trop sec, provoque des irritations des voies respiratoires et favorise la transmission des virus. En effet les gouttelettes d’eau infectées et expulsées par une personne malade (éternuement) se répandent beaucoup plus loin dans un environnement sec plutôt qu’humide. En effet, l’humidité ambiante permet de freiner et faire retomber au sol ces gouttelettes infectées.

Cependant une humidité trop élevée, supérieur à 60%, favorise l’apparition de moisissures qui peuvent provoquer des allergies. De plus une ambiance trop humide en hiver fait diminuer la température ressentie et provoque un inconfort.

Il est donc indispensable de bien maîtriser le taux d’humidité d’une pièce.

Les températures intérieures recommandées sont :

• Pièces à vivre : 19°C
• Chambres : 16°C
• Chambres bébé : 18°C – 20°C
• Salle de bain : 22°C en utilisation sinon 17°C

En hiver, un air surchauffé va faire diminuer l’humidité d’une pièce et donc provoquer les conséquences vue au dessus.

La principale solution aux problèmes de polluants et d’humidité est l’aération régulière du logement. Il est indispensable de renouveler l’air intérieur régulièrement en ouvrant les fenêtres au moins 15 minutes par jour dans chaque pièce.

Il est également indispensable d’entretenir régulièrement les appareils de chauffage et VMC.

Si les problèmes d’humidité persistent, l’utilisation d’humidificateur ou déshumidificateur peut être nécessaires.

Dans tous les cas, il est nécessaire de surveiller en permanence la qualité de l’air intérieur afin d’agir le mieux possible pour sa santé.

Dans un premier temps, cela permet d’adopter de bonnes habitudes (aération des pièces, réglage du chauffage). Dans un deuxième temps, un niveau anormal, malgré les bons gestes, permet d’identifier rapidement un dysfonctionnement d’une chaudière ou VMC ou alors la présence anormale d’une source polluante.

Le capteur électronique BME680 permet de déterminer un niveau de qualité de l’air via la mesure de plusieurs paramètres au sein d’un même composant

Le composant BME680 est un capteur multi fonction permettant de mesurer plusieurs paramètres physiques :

• Température
• Humidité relative
• Pression atmosphérique (non utilisé ici)
• Concentration de certains gaz dans l’air

Voici pouvez télécharger sa datasheet ici.

C’est un composant destiné à être embarqué dans des applications portables (smartphone par exemple). Ces dimensions sont donc très petites : 3.3 mm x 3.3 mm. Ceci rend le report (soudage) du composant à la main sur une carte assez compliqué. Ce n’est pas insurmontable mais demande un peu d’expérience et de dextérité. Dans un premier temps, il est donc recommandé de l’utiliser via une carte de démonstration dont voici un exemple ici.

Etant destiné aux applications portables sur batterie, la consommation du BME680 est très faible. La mesure des gaz, la plus gourmande, ne consomme que 90 µA en mode « ultra-low power » (une mesure toutes les 5 minutes, fréquence souvent suffisante). Cela permet une autonomie de plus de 3 mois sur une petite pile bouton CR2032 (220 mAh).

La mesure de la qualité de l’air est la fonctionnalité clé du capteur BME680. Associée à un logiciel fourni par son fabricant (BSEC), elle permet de déterminer la composition en gaz nocifs de l’air ambiant avec un score allant de 0 (très propre) à 500 (très pollué).

Voici un extrait de la datasheet présentant les valeurs de pollution déterminée par le capteur.

A la base de son fonctionnement se trouve la mesure de la composition chimique de l’air. Celle ci est réalisée en chauffant un alliage puis en mesurant sa résistance. La résistance de l’alliage chauffé va varier en fonction de la composition chimique de l’air en contact avec celui-ci.

Plusieurs mesures à intervalles réguliers avec différentes températures et temps de chauffage permettent d’obtenir des résultats indiquant une concentration de certains gaz indésirables comme les COV.

Les mesures de température et d’humidité viennent en complément pour fournir un ensemble de données estimant la qualité globale de l’air. Cependant celles-ci peuvent être perturbées par la chaleur induite par le chauffage nécessaire à la mesure de composition de l’air. Le logiciel BSEC permet de compenser ce phénomène et fournit une valeur de température et d’humidité très précise.

Le capteur BME680 étant destiné à être embarqué dans des applications portables, il est souvent directement soudé sur la carte électronique proche d’autre composants produisant eux-mêmes de la chaleur (microprocesseurs, batterie, écran, …). Le capteur BME680 va donc aussi être perturbé par cette chaleur et fournir une valeur erronée par rapport à l’air ambiant. Le logiciel BSEC permet de corriger ce phénomène en fournissant une estimation de la chaleur produite par les autres composants. La difficulté ici est de déterminer justement cette chaleur. Ceci est réalisé pendant la mise au point des cartes électroniques via une calibration de température.

A travers un projet, j’ai pu évaluer les performances du capteur BM680. J’ai utilisé le capteur en mode « Low Power » avec une mesure toutes les 3 secondes.

Voici une photo d’une carte réalisée par moi-même et embarquant le capteur BME680. Elle est associée à une carte de démonstration ST Nucleo 144 embarquant un gros microcontrôleur (STM32F767ZI). Le logiciel BSEC est intégré dans le programme du microcontrôleur.

J’ai détourné la fonctionnalité principale de cette carte pour l’évaluation du capteur.

Après la première mise sous tension, le logiciel BSEC ne fournit pas immédiatement de mesure de pollution. Une valeur par défaut à 25 est fourni avec un indice de précision à 0 (indiquant une valeur non valide). En réalité le capteur commence ici par une phase de calibration.

Au bout d’une demi-heure, l’indice de précision passe à 1 et la valeur de pollution devient différente de 25 (souvent supérieure). Cependant les mesures restent imprécises. Il faut attendre environ 2 heures pour avoir des mesures cohérentes.

Ceci est du au faite que le capteur s’auto-calibre et améliore sa précision de mesures au fur et à mesure du temps.

Le guide d’intégration du logiciel BSEC indique une durée de 4 jours pour la calibration. En pratique au bout de 2 heures les valeurs fournies deviennent suffisamment précises pour une évaluation globale de la qualité de l’air intérieur.

Voici un exemple de variation de niveau de pollution mesuré à l’aide de la carte.

La courbe en bleu du graphique ci-dessus montre l’évolution de l’indice de pollution (IAQ) dans le temps. Lors de ce test, le capteur était situé dans un pièce adjacente à une cuisine. Un événement a fait bondir le taux de pollution : l’allumage d’un grille pain. Ceci montre que l’utilisation d’un simple grille pain a des effets sur la qualité de l’air d’une maison pendant son utilisation.

Pendant son utilisation régulière (20 minutes), le taux de pollution n’a pas cessé d’augmenter malgré la présence d’une VMC.

Une fois le grille pain définitivement éteint, le taux de pollution à commencé à diminuer mais assez lentement.

La fenêtre de la pièce a ensuite été ouverte pendant 5 minutes. L’effet sur le taux du pollution a été immédiat. En effet l’air pure extérieur est venue remplacer l’air polluée intérieure. Une fois la fenêtre fermée, le taux de pollution est remontée mais à un niveau semblable à ce qu’il était avant l’utilisation du grille pain.

On peut aussi voir sur ce graphique la courbe verte qui représente la température et la courbe violette représentant le taux d’humidité.

Cette petite expérience montre que l’aération régulière par l’ouverture de fenêtre dans un logement a un réel effet bénéfique sur la qualité de l’air intérieure.

Le capteur BME680 associé à son logiciel BSEC permet une mesure fiable de la qualité de l’air intérieur. Par contre, il ne permet pas la mesure des particules fines et notamment les fameuses PM10 et PM2.5. Mais, en environnement intérieur, l’émission de particules fines est généralement associé à l’émission de COV. Ceci n’est pas vrai en extérieur car les COV, par définition, sont très volatiles et donc difficilement détectables dans ces conditions.

Ce qui importe ici est de savoir si l’air est polluée et à quel niveau. Connaitre avec précision la composition de l’air polluée n’est pas nécessaire car les solutions seront toujours les mêmes : optimiser l’aération de son logement et entretenir régulièrement ses équipements de chauffage et VMC.

La mise en œuvre du BME680 demande un certain travail et des compétences avancées en électronique et logiciel embarqué.

Dans cet article, je propose la conception d’un appareil de surveillance de la qualité de l’air intérieur mettant en œuvre le capteur BME680.

Si vous souhaitez en savoir plus sur le capteur BME680 ou plus généralement les capteurs de pollution ou si vous êtes intéressé par la conception d’un appareil avec une mesure de qualité de l’air, contactez moi ici.