P3 Capteurs enfuis pour vieillissement du béton

• Etudiant : Florian Giovannangeli
• Encadrants : Alexandre Boé / Thomas Vantroys

Cahier des charges

Présentation générale du Projet

Contexte

Les ouvrages d'art sont généralement réalisés avec du béton. Le processus de maturation du béton est un ensemble de réactions chimiques qui dépendent de nombreux paramètres. Pour être suffisamment robuste, le béton doit sécher dans de bonnes conditions (température et humidité notamment). Le suivi du séchage par la mesure de paramètres comme l'humidité et la température à l'intérieur du béton est donc important afin de pouvoir anticiper et corriger les éventuels problèmes. Concevoir un capteur qui mesurerait ces paramètres tout au long de la vie du bâtiment serait donc une bonne solution.

Objectif

L'objectif de ce projet est de confectionner un prototype de capteur capable de mesurer et transmettre les caractéristiques à l'intérieur du béton au cours de sa maturation et de son séchage.

Description

Ce projet propose donc de concevoir et réaliser un système permettant de mesurer différents paramètres physiques (notamment température et humidité) et de les transmettre à une station de base. Différentes parties sont attendues :

• conception du capteur à base de composants du commerce et sur des standards éprouvés,
• conception d'une interface de récupération des données issues des capteurs,
• tests en situation réelle (coulage de béton avec insertion d'un capteur).

A vérifier avec le département GTGC

Durant la première phase de séchage, les conditions sont importantes pour garantir la qualité du béton. Pendant les 28 premiers jours après le coulage, les caractéristiques (température, humidité et vibration) seront donc mesurées et transmises toutes les heures. Par la suite, durant la maturation du béton, les données seront récupérées à hauteur de une mesure par jour jusqu'au 100ème jour de maturation.

Ce capteur devra être capable d'émettre pendant 5 à 10 ans.

Contraintes

Capteur

Afin que le système de capteur puisse être inséré dans le béton et puisse réaliser les fonctions souhaitées, il est nécessaire qu'il soit :

• capable de transmettre régulièrement des données à travers le béton
• économe en énergie ; de façon à tenir plusieurs années
• de petite taille ; pour éviter une fragilisation de la structure en béton
• étanche ; pour éviter toute dégradation des composants
• rentable ; car il aura une unique utilisation

Interface

Pour être capable de suivre et analyser les caractéristiques mesurées, l'interface de récupération devra :

• être capable de recevoir en permanence les données envoyées par le(s) capteur(s)
• transmettre ces informations au PC pour le traitement et stockage

Schéma

L'idée générale de fonctionnement du capteur enfouis et de l'interface de récupération des données est la suivante :

Choix du matériel

Pour réaliser ce projet, il faudra avoir 2 modules : le module "capteur enfouis" et le module de récupération de données.

Afin de répondre aux fonctionnalités et aux contraintes définies précédemment, les composants nécessaires pour la conception de ces modules sont les suivants :

• 2 Feather M0 LoRa 433MHz
• 1 capteur(s) température et humidité
• 1 capteur micro vibration
• 1 batterie

Les cartes Feather M0 LoRa possèdent déjà les autres composants nécessaires, à savoir les micro-contrôleurs, les HTR (Horloges Temps Réel), les connecteurs USB/Série et alimentation. Du côté du module enfouis, il suffira donc de réaliser une carte avec les capteurs qui pourra se plugger sur la carte Feather M0 et qui sera contrôlée par le micro-contrôleur de cette dernière. On pourra ainsi mesurer les caractéristiques environnementales et les transmettre via le protocole LoRa. Du côté du module de récupération de données, une connexion directe avec le PC via USB permettra de récupérer les données et les transmettre au PC.

Autres :

• Boîtier étanche (à réaliser)
• Filtre anti-humidité (à voir)

Avancée du projet

Planning prévisionnel

NON DEFINITIF.

Semaine 1 (13/03)	Choix du sujet et études préliminaires
Semaine 2 (20/03)	Réunions avec les encadrants de projet et autres enseignants afin de définir les objectifs Définition objectifs et cahier des charges / Recherches préliminaires
Semaine 3 (27/03)	Choix et commandes des composants / Réalisation schématique et PCB / Début programmation
Semaine 4 (03/04)	Câblage et tests / Corrections éventuelles de la carte / Programmation
Semaine 5 (10/04)	Câblage et tests / Corrections éventuelles de la carte Tests émission/réception entre modules LoRa / Correction programme
Semaine 6 (17/04)	Correction programme / Tests dans béton / Réalisation interface Web
Semaine 7 (24/04)	Réalisation interface Web / Réalisation du boîtier

Etudes préliminaires

Alimentation :

L'une des caractéristiques importantes du système souhaité est sa longévité. Même si son utilisation sera intermittente et de courte durée, le capteur doit pouvoir émettre des données pour une durée de 5 à 10 ans, et cela sans ravitaillement possible de l'extérieur. De plus, pour éviter une fragilité de la structure en béton ou pour des zones éventuellement étroites, il serait préférable d'utiliser une alimentation de petite taille. L'utilisation de piles aurait pu être intéressante pour la taille, mais la durée de vie risque d'être insuffisante. Dans un premier temps, j'utiliserai donc une batterie. Des études et des modifications pourront éventuellement être faites en fonction de la consommation des composants du capteur. Concernant le module de récupération de données, le problème ne se pose pas car il sera en permanence connecté au PC.

Communication :

La méthode de communication qui apparaît dans le cahier des charges et qui semble la plus pratique est la communication radio RF. Deux choix s'offrent alors : soit la réalisation d'une carte électronique "maison" avec les composants de notre choix (micro-contrôleur + émetteur/récepteur etc...), soit l'acquisition d'une carte déjà réalisée de type LoRa avec les fonctions souhaitées, puis connectée à une carte de mesure. Dans un premier temps, nous choisirons la deuxième option pour effectuer les tests.

Micro-contrôleur :

Les fonctions de commande de notre système et les composants associés seront peu nombreux, de plus une fois mesurées, les données seront directement envoyées à l'interface et non stockées dans l'appareil. Un micro-contrôleur avec peu d'entrées/sorties et de mémoire flash peut donc faire l'affaire. Il faut également penser à la consommation qui, dans notre cas, doit être faible. Un ATMega328P fait amplement l'affaire. En effet, ce dernier possède suffisamment de fonctionnalités pour permettre la commande des capteurs et le transfert de données, et surtout ils possèdent différents modes de fonctionnement (normal, veille...) permettant une basse consommation en énergie. Il possède également un USART qui servira à rapatrier les données vers le PC.

Boîtier :

La difficulté du boîtier qui contiendra le système est que celui-ci doit être étanche autour de la carte afin de protéger les composants électroniques du béton et notamment de l'eau lors de son coulage, mais il doit également laisser aux capteurs la possibilité de mesurer l'humidité et la température. Deux solutions sont à étudier : soit un boîtier laissant ressortir uniquement des capteurs supportant un certain degré d'humidité, mais sa réalisation devra donc être très précise selon les composants choisis, soit un filtre fin capable de laisser suffisamment passer l'humidité pour la mesurer sans risquer d'abîmer les autres composants.

Premiers essais

Pour les premiers essais de communication RF, il a été décidé d'utiliser 2 cartes de communication LORA. Ces cartes seront connectées d'une part à un Arduino pour le module de récupération de données, et de l'autre au module capteur qu'il va falloir réaliser.

Livrables

Détails composants

NON DEFINITIF.

Quantité	Description	Vendeur	Fabricant	Référence Fabricant	URL
2	Feather M0 LoRa 433MHz	Ecole	Adafruit
1	Capteur micro vibration	Farnell	Sensolute	MVS0608.02	http://fr.farnell.com/sensolute/mvs0608-02/capteur-micro-vibration/dp/1768152
1	Capteur température/humidité	Farnell	Honeywell	HIH6030-021-001	http://fr.farnell.com/honeywell/hih6030-021-001/capteur-humidity-no-filtre-4-5/dp/2356755
1	Batterie DC5V	Ecole	LogiLink
2	Connecteur mâle 16+12 broches	Ecole