IMA4 2017/2018 P39
Sommaire
Musique des Plantes. Les Musiniéristes de Polytech !
Présentation générale
La photosynthèse permet à une plante de produire de la matière organique: le dioxyde de carbone est converti en glucides lors de réactions d’oxydoréduction qui nécessitent d’une part des électrons provenant de l’eau et d’autre part de l’énergie provenant de la lumière solaire. La photosynthèse créée donc des flux d’électrons résultant en signaux électriques. Des projets récents menés par des start-ups telles que Bioo ou des entreprises telles que Plant-e cherchent à exploiter ce phénomène afin de produire de l'électricité grâce aux plantes que cela soit avec une simple plante en pot ou à l'échelle d'une rizière toute entière.
Dans une visée plus proche du divertissement artistique, notre projet consiste à capter le biorythme d’une plante et de le transformer en concert sonore. Grâce à deux électrodes placées sur le végétal, nous allons capter les impulsions électriques occasionnées par la photosynthèse et transmettre le tout sous la forme d’un signal exploitable par une enceinte ou un instrument.
Description
Durant ce projet, nous allons connecter deux électrodes à deux endroits distincts d'une plante (feuille-feuille, feuille-racine, etc) afin de mesurer son biorythme. Nous allons ensuite amplifier et filtrer ce signal afin de le transformer en musique. Notre dispositif disposera de quelques réglages (volume, aigu, grave, ...), d'une enceinte pour pouvoir écouter directement le son, d'une prise jack pour pouvoir utiliser un casque ou une enceinte externe, d'une prise MIDI permettant notamment de connecter un instrument pour profiter de sa gamme et enfin des LEDs pour créer une ambiance visuelle en accord avec l'ambiance sonore. Le dispositif sera portatif afin de pouvoir facilement l'utiliser chez soi où en extérieur: cela implique une alimentation par batterie.
Objectifs
L’objectif minimal de notre projet est de parvenir à récupérer le signal électrique issu de la photosynthèse d’une plante et de le restituer de manière sonore à l’aide d’une enceinte. Nous souhaitons néanmoins aller plus loin en offrant davantage de moyens d’exploitation du signal (LEDs, piano numérique) Le projet sera découpé en deux étapes principales: dans un premier temps, il s’agira de réaliser un dispositif permettant de capter les signaux électriques d’une plante puis de les traiter numériquement à l’aide notamment d’amplificateur(s) et de filtre(s) afin d’éliminer les signaux parasites et d’extraire l’information que nous évaluerons comme utile et représentative du biorythme de la plante. Dans un second temps, nous créerons un dispositif permettant de transformer le signal extrait en un concert musical. Il s’agira de munir ce dispositif d’une enceinte et d’une prise jack afin de pouvoir écouter le biorythme de la plante. Nous implémenterons également des LEDs afin de créer une ambiance visuelle en adéquation avec l’ambiance sonore et nous ajouterons un port MIDI afin de pouvoir connecter un instrument comme un piano numérique dans le but de pouvoir profiter de sa gamme. Un ultime point serait de pouvoir “monitorer” sa plante en analysant le signal électrique mesuré afin de déterminer si l’activité photosynthétique de la plante est suffisante et, si elle ne l’est pas, d’informer l’utilisateur avec une LED afin que ce dernier essaye d’y remédier en arrosant davantage sa plante ou en l’exposant mieux au soleil. Nous allons cependant attendre d’observer les signaux électriques avant de déterminer si cette fonctionnalité est envisageable.
Analyse du projet
Il existe peu de produits réalisant les mêmes fonctions que notre projet: seules deux marques se distinguent en proposant des produits solides: Devodama avec un produit haut de gamme et MIDI Sprout avec un produit plus compact et abordable.
Analyse du premier concurrent
Devodama propose un boîtier haut de gamme nommé ” Music of the Plants ” et vendu 750€.
Le produit se revendique comme l’aboutissement de 40 ans de recherche et propose un ensemble de réglages poussés grâce à une interface complète. Le boîtier propose 2 sorties: une sortie jack et une sortie MIDI. Il s’alimente sur secteur. Électrodes fournies.
Sources :
http://www.musicoftheplants.com/?ref=dhen
https://www.pepiniere-botanique.com/jardins/
Analyse du second concurrent
MIDI Sprout est notre second concurrent, il propose un boîtier à partir de 200€.
Le produit ne présente aucun bouton de réglage extérieur et se présente dans une boîte écologique en carton. Il présente les 2 mêmes sorties que le boîtier de Devodama: une prise jack et une prise MIDI. Ce produit est nettement plus compact et fonctionne avec des piles. Électrodes fournies.
Sources :
Positionnement par rapport à l'existant
Comme évoqué ci-dessus, les quelques produits disponibles sont vendus entre 200 et 750 euros. L’objectif principal de notre projet est de fournir un produit réalisant des fonctions similaires, de qualité convenable, mais à un prix nettement inférieur. Nous chercherons donc tout au long de la conception de notre produit à choisir le matériel aux meilleures qualités prix afin de limiter au maximum le coût du produit fini. Nous ne cherchons pas à réaliser une interface aussi détaillée que le boîtier de Devodama, mais nous aimerions probablement avoir au moins 2 ou 3 boutons de réglage, contrairement à MIDI Sprout qui n’en présente qu'un (pour l'allumage et le volume). Nous pensons également partir sur un boîtier de petite taille fonctionnant sur batterie afin d’offrir un produit portatif simple d’utilisation. Une enceinte intégrée permettrait aussi un fonctionnement autonome, même nous craignons de devoir y renoncer si le son s'avère de trop mauvaise qualité. Nous pensons aussi offrir une représentation différente du biorythme de la plante grâce à nos LEDs et, si cela s’avère réalisable, offrir une fonction de “monitoring” de la plante.
Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé
Pour un adulte, notre produit serait une manière d’expérimenter et d'interagir avec le monde végétal. Il pourrait être un outil de relaxation utilisé à bas volume afin de se laisser bercer par la mélodie d’une plante pour se reposer. Il pourrait être un outil de découverte et de curiosité en étant utilisé sur toutes les plantes de la maison et du jardin pour découvrir diverses mélodies et des fonctionnements différents entre différentes plantes. Il pourrait être un outil de création en utilisant les simples chants des plantes pour créer des morceaux musicaux plus complexes (s’il s’avère que vous êtes musicien). Il pourrait être un outil d’apprentissage pour faire découvrir à ses enfants que les plantes sont bel et bien vivantes et les introduire auprès de notions scientifiques telles que la photosynthèse. Ce produit se revendique avant tout comme une expérience à part entière, il ne se revendique pas comme utile, c’est un stimulateur de sens avant tout.
Réponse aux questions
Si vous n'arrivez pas à récupérer un signal exploitable depuis la plante, avez-vous un plan B ?
La photosynthèse de plante produit de la matière organique dont l'excédent est rejeté dans le sol via les racines, autour desquelles vivent des micro-organismes qui s'en nourrissent et libèrent des électrons. En plaçant des électrodes à proximité des racines, on doit pouvoir récolter ces électrons et générer du courant: ce signal serait pour nous une alternative nous permettant de générer notre mélodie.
La plante émet-elle un signal en absence de lumière?
Il y a d'autres processus mis en jeu tel que la respiration mitochondriale cependant l'activité électrique devrait en effet être nettement inférieure en absence de lumière. Nous sommes encore dans l'ignorance de la 'quantité' minimale de lumière nécessaire à des conditions de fonctionnement idéal du système que nous souhaitons réaliser.
Préparation du projet
Cahier des charges
Choix techniques : matériel et logiciel
Choix matériel
- Plante
(x1) Acquise auprès de Madame Pichonnat
- Électrodes
(x1) Cordon Sparkfun [1]
(x1 lot de 10) Électrodes Sparkfun [2]
- Amplificateur d'instrumentation
(x2) Texas Instrument [3] (x1) OPA320[4] (x1) OPA2320 [5] (x1) INA132 [6]
- Arduino méga
(x1) Arduino [7]
- Module bluetooth pour arduino
(x1) Elecfreacks [8]
- Batterie
(x1) Cordon d'alimentation [9]
(x1) Pile rechargeable Duracell [10]
- Haut-Parleur
(x1) Kingstate [11]
- Boutons / Potentiomètres
(x3) Interrupteurs TE Connectivity [12]
(x1) Potentiometre Philips [13]
- Connecteur MIDI (connecteur DIN)
(x1) RS Pro [14]
- Connecteurs Jack (3,5 mm / 3 zones de contact)
(x2) Lumberg [15]
- AOP
(x1) Texas Instrument [16]
- LEDs RGB
(x2) [17]
- CAN (Convertiseur Analogique Numerique)
Choix logiciel
Pour la conception de la carte électronique nous utiliserons le logiciel Altium Designer. Pour la programmation de l'arduino, l'IDE Arduino et pour la programmation de l'application mobile, Android Studio .
Liste des tâches à effectuer
- 1 Analyse du projet
- 2 Schéma des différentes parties
- 2.1 Traitement analogique du signal
- 2.2 Son
- 3 Conception du shield Arduino Mega
- 4 Programmation Arduino
- 4.1 Traitement numérique du signal
- 4.2 Son
- 4.3 Midi
- 4.4 LED RGB
- 4.5 Bluetooth
- 5 Programmation de l'application Android
- 5.1 Bluetooth
- 5.2 écouter le son
- 5.3 Simulation piano
Calendrier prévisionnel
Ressources
Sonelec Musique
https://www.sonelec-musique.com/
LED s'illuminant avec une musique sur Arduino
https://www.arduinostarterkits.com/resources/how-to-make-leds-flash-to-music-with-an-arduino
http://www.instructables.com/id/How-to-Make-LEDs-Flash-to-Music-with-an-Arduino/
Notes de musique avec une carte Arduino
https://www.carnetdumaker.net/articles/jouer-des-notes-de-musiques-avec-une-carte-arduino-genuino/
https://openclassrooms.com/courses/perfectionnez-vous-dans-la-programmation-arduino/generez-des-sons
Filtre numérique avec un Arduino
http://www.f-legrand.fr/scidoc/docmml/sciphys/arduino/filtrage2/filtrage2.html
Connexion MIDI avec un Arduino
http://www.instructables.com/id/Send-and-Receive-MIDI-with-Arduino/
EEG https://www.researchgate.net/publication/266663863_WIRELESS_TRANSMISSION_OF_EEG_SIGNALS
HP http://electroniqueamateur.blogspot.fr/2015/07/brancher-un-haut-parleur-larduino.html
Réalisation du Projet
Feuille d'heures
| Tâche | Prélude | Heures S1 | Heures S2 | Heures S3 | Heures S4 | Heures S5 | Heures S6 | Heures S7 | Heures S8 | Heures S9 | Heures S10 | Total |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Analyse du projet | 10 | 18 | 7 | |||||||||
| Schéma des différentes parties | ||||||||||||
| Traitement analogique du signal | 7 | 20 | 14 | |||||||||
| Son | 2 | |||||||||||
| Conception du shield Arduino Mega | 8 | 6 | ||||||||||
| Programmation Arduino | ||||||||||||
| Traitement numérique du signal | 6 | 4 | ||||||||||
| Son | 2 | 1 | ||||||||||
| Midi | ||||||||||||
| LED RGB | 1 | 2 | ||||||||||
| Bluetooth | 1 | 3 | ||||||||||
| Programmation de l'application Android | ||||||||||||
| Bluetooth | ||||||||||||
| écouter le son | ||||||||||||
| Simulation piano | ||||||||||||
| Wiki | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
Prologue
Nous sommes entré en contact avec Jean THOBY via son site internet de la pépinière botanique
https://www.pepiniere-botanique.com/contacts.html
Semaine 1
Quelques informations issues d'une réponse de M. Jean THOBY (vendeur d'appareils Devodama) à un mail de notre part:
- L'activité de surface théorique observable serait de 0,01mV à 1mV
- La phytoneurologie est l'activité électrique de surface d'un végétal.
Nous avons défini quelques prérequis à la récupération du signal souhaité auprès de la plante:
- Utiliser une cage de Faraday, même rudimentaire (papier aluminium), afin de limiter les perturbations du milieu.
- Utiliser un Amplificateur d'Instrumentation afin de réaliser une mesure précise (réalise un filtrage et une amplification).
- Le signal résultant devra varier dans la plage [0;5]V pour pouvoir être traité sur un pin analogique de l'Arduino.
- Ajouter un filtrage numérique afin de filtrer des composante indésirables telle que le 50Hz du secteur.
- Réaliser si besoin une auto-corrélation afin de pouvoir supprimer le bruit de notre signal.
Premiers tests sur la plante:
[photos à ajouter]
- Avec des pinces crocodiles directement sur la plante : variation très importante à une fréquence de 50Hz => perturbation du réseau.
- Avec des pinces crocodiles accrochées à une tige de graphite insérée dans la plante: moins de parasites, variation plus petite : 0.5mV => prévoir d'utiliser des sondes avec des connexions en carbone. Cela permet de s'affranchir des réactions d'oxydo-réduction liées à l'eau présente dans la plante.
- Le pot de la plante est en métal => nous le changerons pour un pot en plastique afin d'éviter toute conduction non souhaitée.
Semaine 2
- Recherche d'AOP pouvant convenir pour notre projet on à choisi le INA 125 de Texas Instruments.
- Nous avons décider d'alimenter leINA 125 de Ti entre +5v et -5V. Nous aurons donc un signal qui varie entre -5V et +5V puis nous enverons ce signal sur un sommateur non inverseur de tension pour récuprer un signal entre 0 et 10V. Ensuite on utilisera un pont diviseur de tension pour avoir un signal qui varie entre 0 et 5V pour pouvoir l'utiliser sur les PIN analogique de l'arduino.
- Changement de pot : Nous avons changé le pot avec un en plastique pour limiter les signaux parasites.
- Recherche de littératures en C201.
- Etude du branchement de la connexion Midi avec l'arduino.
Semaine 3
- Etude du branchement de la connexion Midi avec l'arduino
- Analyse concernant les fonctionnalités du système ( quel boutons ajouter, combien de LED...)
- Commande des dernier composant nécessaire pour la réalisation de notre appareil.
- Début de la conception d'un shield arduino mega sur le logiciel de CAO, Kicad.
- Nous avons abandonné l'idée d'utilisé un sommateur non inverseur de tension associée à un diviseur de tension. Nous utiliserons un CAN (Convertisseur Analogique numérique pour renvoyer le signal numérisé à l'arduino via la broche TX/RX.
Semaine 4
- Recherche concernant les méthodes pour capter le signal via l' électroencéphalographie.
D'après la ressource ci- dessous :
https://www.researchgate.net/publication/266663863_WIRELESS_TRANSMISSION_OF_EEG_SIGNALS
L'EEG capte un signal d'environs 100 uV auquel est ajouté un filtre passe-bas du 4e ordre pour acquérir les signaux dans la plage de 0,5 -35Hz puis à un filtre coupe-bande de 50Hz. Les câbles ne sont pas particulièrement blindés, torsadé au mieux.
- Choix d'un convertisseur analogique, car celui de l'arduino ne sera peut-être pas assez rapide.
- Demande d'une licence Altium designer pour la conception de la carte sur ce logiciel.
Schéma du filtre analogique 50Hz :
Ci-dessus nous pouvons voir le schéma du filtre 50Hz que nous mettrons en place pour supprimer cette composante.
Ci-dessus nous pouvons voir que la composante 50hz et supprimé et les fréquences aux alentours son atténué.
Source : http://poujouly.net/2015/10/25/filtre-notch-50hz/
Semaine 5
- Conception de la carte avec un logiciel de CAO.
- Etude du branchement du CAN
- Programmation Arduino
- Configuration du Module Bluetooth HC-05 par commande AT. Changement du nom.
- LEDs programme permetant de changer la couleur d'une Leds RGB. Nos LED RGB possédent 4 pins.
La pin 1-3 et 4 sont connecté à des pins PWM de la carte arduino et la Pin 2 est connecté au GND.
- Traitement numérique du signal
- Installation d'Android Studio.
- Recherche de comment transformé un signal numerique en son.
Semaine 7
- Programme en testant différentes notes avec l'arduino connecté à un Buzzer.
- Programme en testant différentes notes avec l'arduino connecté au haut parleur.
- Création d'une autre carte sous kicad cette version utilise l'amplificateur d'instrumentation INA125 avec un filtre analogique 50Hz ainsi qu'un AOP connecté en montage suiveur pour réaliser une adaptation d'impédance.
Réalisation du schéma:
Fichier:Schematic MoP.pdf
Ensuite nous avons fait l'association entre les composants et leur empreintes.
Et enfin réalisé le PCB :
Nous devrons réaliser la conversion analogique numérique avec l'arduino car les composant commandé ne conviennent pas suite à une erreur.
Source : https://www.carnetdumaker.net/articles/la-conversion-analogique-numerique-avec-arduino-genuino/
Semaine 8
- Impression de la carte
La méthode utilisée pour réaliser la carte est la gravure mécanique, appelée aussi "routage". Elle consiste à enlever le cuivre aux endroits inutiles de la carte.
- "Soudage" ou brassure des composants
Notre carte est bien aux dimensions de la carte arduino mega et s'emboîte bien comme un shield.
- Formation au fabricarium pour utiliser la découpeuse laser dans 'objectif de réaliser un boîtier en bois.
Semaine 9
- Simuation de notre filtre 50Hz sur LTSpice
Ci- dessus on peut voir notre filtre 50 Hz réaliser sur LT spice. Nous avons fixé R à 47khoms et C à 68nF. ".ac dec 100000 1 1000" sert à régler notre fenêtre d'analyse.
On peut observer sur l'image ci-dessus l'évolution du gain de Vs/Ve en fonction de la fréquence. On observe que notre filtre posséde un très fort pouvoir de coupure, le 50Hz est atténué de -135dB. On peut également observer que notre filtre altére également les fréquences voisine. si notre signal utile ce situe entre 5 Hz et 500 Hz alors il sera atténué par ce filtre de coupure.
- Test de la carte
Notre carte étant réaliser nous avons pu la tester sur la plante. nous avons donc connecté deux électrodes sur la plante, relier à notre entré sur le shield que nous avons concut puis analysé avec un oscilloscope ce que nous avions en sortie pour le comparé avec l'entré.
A l'entrée nous avons relevé : Média: MotP_AvCart.jpg
- Une valeur moyenne du signal à 94,6 mV
- Des signaux au fréquences avec leur puissance :
- 50 Hz - 462 mV
- 12,4 KHz - 2,2mV
- 24 KHz - 1 mV
- 31,8 KHz - 1 mV
- 44 KHz - 3 mV
Après l'Ina 125 nous avons relevé : Média: MotP_AvFi.jpg
- Une valeur moyenne du signal à 100 mV
- Des signaux au fréquences avec leur puissance :
- 50 Hz - 30,8 mV
- 12,4 KHz - 2,2mV
- 24 KHz - 1 mV
- 31,8 KHz - 1 mV
- 44 KHz - 3 mV
Après notre filtre de coupure nous avons relevé : Média: MotP_ApFi.jpg
- Une valeur moyenne du signal à 93,6 mV
- Des signaux au fréquences avec leur puissance :
- 50 Hz - 4,8 mV
- 12,4 KHz - 2,2mV
- 24 KHz - 1 mV
- 31,8 KHz - 1 mV
- 44 KHz - 3 mV
- Création d'un logo pour la réalisation d'une boite en bois à la découpeuse laser.
L'objectif étant de réaliser un boitier avec la découpeuse laser du fabricarium, ce logo a était dessiné pour "décorer" notre futur boite.
Semaine 10
- Réalisation d'un montage sur une prototype board pour vérifier le fonctionnement comme on le souhate de l'amplificateur opérationelle.
- Dans un premier temps nous réalisons un schéma assez simple avec en entrée de notre composant un pont de Wheatstone. Dans le pont de Wheatstone que nous avons réalisé nous avons introduit une résistance variable pour pouvoir déséquilibre facilement le pont est donc avoir une différence de pottentiel que nous pouvons régler.
- Nous alimentons notre composant en mode single supply en 5V et avec une réistance variable de 10kohm pour régler le gain.
En réalisant ce montage nous avons pu constater que nous avions commis une erreur en lisant la data sheet, la pin pour mettre en veille le composant est un sleep barre. Nous devions donc mettre 5V sur cette pin pour que le composant soit actif. De plus nous devions relier la PIN Sense (11) à la sortie (10).
- Une fois le montage réalisé nous avons pu avons réglé à l'oscilloscope une variation de 50mV à l'entré en jouant sur la résistance variable introduit dans le pont de Wheatstone et en sortie une différence de potentiel de 500mV lorsque la resistance est égale à 10K nous avons donc un gain de 10. Ce qui correspond on tableau de la data sheet du composant. De plus nous avons pu voir que en faisant varier cette résistance cela jouais bien sur notre valeur de sortie.
avec notre allimentation single supply de 5V nous avons observé que la valeur de sortie est écreté à 4,33V.
- En second lieu nous avons remplacé le pont de Wheatstone avec une alimentation continu.
- on a injecté un signal de 104mV avec un gain théorique de 10 (10kohm) nous avons en sortie 510mV et avec un gain théorique de 1000 ( 68ohm) 688mV on peux donc en conclure que nous n'avons pas un fonctionnement qui suit la courbe théorique. Cela est du au fait que la valeur d'entré du signal ne dépasse pas 1V.
- Pour s'affranchir du minimum de tension que nous devons avoir en entré pour que la courbe du gain en fonction de la résistance soit celle indiqué par la datasheet nous devons allimenter notre composant en +/-5V.
- Nous avons donc réaliser un montage en alimentant notre composant en +/-5V.
- En second lieu nous avons remplacé le pont de Wheatstone avec une alimentation continu.
Schéma pour obtenir +/-5V grace à une alimentation continu : ...
- Nous avons gardé notre signal d'entré de 105mV précedent et nous avons pu constater les résultat suivant :
gain théorique de 10 --> 1,22V gain théorique de 1000 --> écretage à 4,25V
- Concllusion avec une alimmentation dual supply nous suivont bien la courbe de gain en fonction de la résistance.
A ajouter, le tableau du gain en fonction de la résistance avec la courbe.
Semaine 11
Cette semaine nous avons testé notre montage sur la prototype board avec l'INA 125 et le filtre coupe bande de 50Hz. On as d'abord validé le montage avec un générateur de signaux pour pouvoir faire varrier la fréquence, l'amplitude et la forme du signal. On as constaté que pour un signal de fréquence de 50Hz notre signal est bien amplifié grace à notre amplifcateur d'instrumentation puis enssuite fortement atténué à l'aide de notre filtre coupe bande. [photo] Avec un autre signal, par exemple ici de 200Hz il n'y a pas de modification d'amplitude entre avant et après le filtre. Après le filtre on peu quand même observer un déphasage. Ce déphasage est d'environs 300 degré.
On as également pu constater que lorsque le signal est écreté alors il est assimilable à un signal carré est donc la forme du signal après le filtre est déformé.
