Projet numérique : Réalisation d’une mini-station météo portative

Objectif

Construire et programmer un dispositif de mesure avec microcontrôleur.

Les dispositifs de mesure actuellement disponibles peuvent être couteux ou doivent être multipliés donc difficiles à transporter. A l’heure où les programmes scolaires invitent à une utilisation renforcée des outils de programmation, en particulier de microcontrôleurs (Arduino, Micro:Bit), cet article présente un protocole de réalisation et d’utilisation d’une mini-station météo portative et autonome.

Matériel

Certains lycées ayant obtenu des dotations régionales pour l’achat de microcontrôleurs en physique-chimie, cette fiche invite à limiter les couts d’investissement en demandant l’utilisation du matériel des laboratoires de physique-chimie. Nous proposons ici l’assemblage des composants Arduino et Grove disponibles dans des mallettes des fournisseurs Jeulin, Sordalab ou bien encore Vittascience. Doivent être commandés en supplément un capteur CO₂ et un capteur O₂. Les établissements ne disposant pas de ce type de mallettes peuvent les commander chez des fournisseurs de leur choix ou bien acheter directement chez les fabricants-revendeurs les composants nécessaires listés ci-après :

• Grove-Oxygen-Sensor-ME2-O2-f20
• Grove-CO2-Sensor-MH-Z16B
• Grove-Ecran LCD Bleu-Rouge-Vert
• Grove-Temperature-Humidity-Sensor-SHT31
• Grove-Light_Sensor
• carte-arduino-uno associée à un module-grove-base-shield facilitant connectique
• Cordon USB
• Pile 9 V

Préparation de la mini-station météo

Avec l’association de la carte Arduino-Uno et de son module Grove-Shield proposant des connectiques prêt-à-l’emploi, il suffit de connecter chaque capteur à l’aide du câble Grove fourni sur la connectique du module correspondant aux paramètres du capteur et au programme Arduino. Les photographies suivantes montrent le plan de montage de cette mini-station météo :

Téléversement du programme Arduino

Le présent document propose simplement de télécharger un programme prêt-à-l’emploi  (voir ci-dessous) pour se concentrer sur l’utilisation didactique de la station météo. Un autre document s’intéressera ultérieurement à la rédaction du programme et à son éventuelle mise en activité par les élèves. Des éléments d’information sont déjà disponibles sur Internet grâce au travail des collègues de l’académie de Créteil : Justin Zallio et Guillaume Azéma.

Pour installer un programme de lecture dans la carte Arduino, il faut d’abord télécharger le logiciel Arduino : https://www.arduino.cc/en/software

Ensuite, il faut enregistrer le programme au format .ino en le télécharger directement ici : https://drive.google.com/file/d/1YOc4hP0_DZSAQXor6pKQvQlnJzjoTBYy/view?usp=sharing

Enfin, il faut ouvrir le logiciel Arduino, charger le modèle via l’onglet Fichier, brancher la mini-station météo à l’ordinateur via le cordon USB, et enfin téléverser le programme dans la carte Arduino à l’aide de l’icône :

Attention : les collègues qui commanderaient la malette Arduino du fournisseur Jeulin se retrouve bloqués à ce stade. En effet, l’ordinateur doit disposer d’une autorisation d’accès à la carte Arduino, téléchargeable à l’adresse indiquée par Jeulin dans la mallette livrée. Cette étape est nécessaire et complique la manipulation pour les ordinateurs d’établissement muni de droits administrateur restreints.

Préparation du programme Arduino

Pour chaque capteur, le fabricant ou des utilisateurs partagent un programme directement utilisable. Tous les programmes de chaque capteur sont disponibles sur le site wiki.seeedstudio.com. Exemple pour le capteur CO₂ : https://wiki.seeedstudio.com/Grove-CO2_Sensor/

Ensuite, tous les programmes étant rédigés de la même manière, il est possible de les assembler pour construire le programme de la mini-station météo. Des difficultés surviennent néanmoins dans le calibrage de certains capteurs, en particulier les capteurs de gaz. Il faut dans ce cas se référer aux forums d’utilisateurs car souvent l’un d’entre eux a déjà trouvé une solution et partagé son code.

Le programme de la station météo est disponible ici : https://drive.google.com/file/d/1YOc4hP0_DZSAQXor6pKQvQlnJzjoTBYy/view?usp=sharing

Utilisation de la mini-station Météo

1. Utilisée en classe comme capteur de CO₂ positionné sur la paillasse Prof, la mini station météo peut faciliter la mise en évidence des échanges réalisés par les élèves avec leur environnement lors d’une séance de travail : libération de vapeur d’eau et de CO₂ ; dégagement de chaleur… Elle peut surtout servir de support en contexte de protocole sanitaire anti-Covid-19 à la réflexion sur l’aération des salles : quelle durée et quelle intensité d’aération nécessaire pour limiter la teneur en CO₂ de la pièce à un niveau satisfaisant ?
2. Utilisée en salle de TP sous cloche, la mini-station météo peut permettre de mesurer les échanges réalisés par d’autres organismes modèles terrestres (plantes, criquet, organismes du sol…) avec leur environnement pour ainsi étudier leur métabolisme.
3. Enfin, et surtout, utilisée en extérieur du lycée ou lors d’une sortie de terrain, la mini-station permet de faire des relevés multiples de données abiotiques afin de décrire un écosystème, de mettre en évidence la structure d’un écosystème et encore de quantifier certains services écosystémiques

Auteur : Nicolas Lieury