Améliorer l'environnement et le bilan des villes intelligentes grâce à la détection connectée

La qualité de l'air est une préoccupation majeure pour des organisations comme l'Organisation mondiale de la santé (OMS), qui établit un lien entre, d'une part, les polluants, comme les matières particulaires, l'ozone et les oxydes d'azote (NOx), et, d'autre part, le développement des maladies et l'augmentation des taux de mortalité précoce. La pollution atmosphérique compte parmi les 10 facteurs environnementaux pris en compte par l'OMS dans son évaluation de la charge mondiale de morbidité, sur une plateforme qui permet de surveiller la santé publique dans différentes régions du monde et qui contribue à définir les réponses appropriées. Dans le cadre de ce projet, l'OMS a évalué la proportion de maladies mondiales qu'il serait possible de prévenir en améliorant l'environnement et a publié le profil national de 192 États membres.

C'est dans les zones urbaines que la qualité de l'air est susceptible d'être la plus médiocre. L'OMS estime qu'il serait possible d'augmenter l'espérance de vie d'au moins 10 ans dans les régions pauvres si les risques pour la santé, y compris les risques environnementaux et les autres problématiques, comme l'alimentation et l'accès à l'eau potable, pouvaient être limités. Même dans les régions plus développées comme l'Europe de l'Ouest, l'OMS considère qu'il serait possible d'augmenter l'espérance de vie moyenne de 5 années supplémentaires. C'est pourquoi de nombreux groupes et communautés dans le monde espèrent pouvoir tirer parti des études et des travaux menés dans le but de réduire la charge mondiale de morbidité.

En Europe, en Amérique du Nord et dans certaines régions d'Asie, des initiatives visant à surveiller et à améliorer la qualité de l'air sont aujourd'hui bien établies. Parmi les actions mises en œuvre en faveur de la qualité de l'air dans l'Union européenne figure notamment le programme « Air pur pour l'Europe », un projet soutenu par de nouvelles politiques annoncées en 2013 et englobant diverses initiatives visant à réduire les émissions des véhicules et d'autres processus de combustion. L'Agence européenne pour l'environnement (AEE) gère une base de données sur la qualité de l'air, appelée Airbase, qui offre un accès public aux résultats obtenus à partir de données provenant de sites de surveillance situés dans l'UE. Dans d'autres régions du monde, les données sur la qualité de l'air sont parfois surveillées de façon moins intensive. L'intérêt pour la collecte de données à des fins d'analyse ne cesse de croître aux quatre coins de la planète, bien que la marge de progression dans ce domaine reste importante.

Une surveillance plus étroite de la qualité de l'air

Quel que soit le niveau, les coûts représentent un obstacle important à l'extension de la surveillance de la qualité de l'air. Une station de surveillance de la qualité de l'air réglementaire haute qualité peut coûter des dizaines de milliers de dollars. Ce type de dispositif est souvent destiné à être utilisé sur de longues périodes, 10 ans ou plus, et peut s'avérer à la fois volumineux et difficile à déplacer sur un autre site, si nécessaire. S'il n'est possible de n'installer qu'un petit nombre de stations dans le cadre d'un projet de surveillance de la qualité de l'air, le volume de données recueilli sera de fait limité. Les efforts de modélisation et d'extrapolation à fournir devront être relativement importants pour permettre de tirer des conclusions applicables à des périmètres plus vastes.

Dans le même temps, des capteurs plus petits et plus mobiles sont disponibles à des prix atteignant à peine quelques milliers de dollars, voire parfois nettement moins, au détriment de la précision et de l'exactitude. Leur fonctionnement peut s'avérer économique dans la mesure où certains dispositifs ne nécessitent qu'un remplacement des piles. Leur durée de vie opérationnelle a également tendance à être plus courte que celle des stations réglementaires plus volumineuses.

L'émergence de capteurs moins onéreux, combinée à l'Internet des objets (IoT), peut contribuer à changer la façon de surveiller la qualité de l'air. Il est possible d'installer des stations de détection supplémentaires entre des équipements de surveillance de la qualité de l'air de référence plus volumineux, ce qui accroît la dépendance aux données tout en améliorant la précision de la modélisation et de l'interpolation. Il peut s'agir de petites stations de surveillance portables ou semi-permanentes, faciles à configurer et rapides à mettre en œuvre pour commencer à recueillir au plus vite des données sur la qualité de l'air.

Les vastes réseaux de capteurs sont réputés en revanche pour générer de grandes quantités de données, ce qui remet en question les méthodes de collecte et d'analyse traditionnelles. Dans ce cas, la technologie IoT pourrait apporter une solution en simplifiant la capture des données des stations de surveillance sur le terrain et en réduisant les coûts d'exploitation, ainsi qu'en tirant parti des ressources du cloud computing pour traiter et analyser les informations obtenues, puis générer les rapports correspondants.

Il convient également de souligner que des ONG (organisations non gouvernementales) et des collectivités plus petites peuvent utiliser des stations de détection à faible coût et des plateformes cloud à plus petite échelle pour élaborer des programmes de surveillance à petite échelle ou locaux. Par exemple, à proximité de sites industriels, d'écoles ou de zones à trafic dense à des fins d'application de la loi ou de lobbying.

Réduction du coût des capteurs et des circuits

Grâce à de nouvelles techniques de fabrication visant à réduire le coût des capteurs, il est également plus facile d'étendre le déploiement de stations de surveillance de la qualité de l'air. SPEC Sensors a développé un procédé électrochimique de sérigraphie pour la fabrication en série de capteurs basse consommation, hautes performances en boîtiers compacts, à un coût bien inférieur à celui des capteurs électrochimiques traditionnels. Plusieurs variantes sont disponibles pour la mesure des polluants tels que l'ozone, le méthane, le dioxyde d'azote, le monoxyde de carbone, le sulfure d'hydrogène, le n-heptane et le chlore. Toutes les versions présentent un format carré compact de 20 mm x 20 mm d'une hauteur de seulement 3 mm, avec une ouverture centrale d'accès aux gaz, et elles peuvent être utilisées pour surveiller la qualité de l'air de sources sanitaires, résidentielles ou industrielles. Elles sont fournies étalonnées et affichent une durée de vie attendue de 10 ans.

Il est également intéressant et utile de souligner que lors de l'utilisation de capteurs de gaz électrochimiques, il est non seulement conseillé de veiller à ce que la face de détection soit protégée contre les contaminants tels que la poussière et les huiles, mais également recommandé de choisir soigneusement le matériau du logement. L'utilisation de certains plastiques comme l'ABS peut affecter la réponse des capteurs en raison de l'adsorption des molécules de gaz. Si l'acier inoxydable ou le polypropylène sont recommandés dans la mesure du possible, les matériaux inertes, comme le caoutchouc EPDM (éthylène-propylène-diène monomère (classe M)), sont plutôt réservés à la fabrication des joints ou des diaphragmes.

Un capteur électrochimique est un dispositif à trois bornes, qui contient une électrode de travail (détection), une contre-électrode et une électrode de référence. L'électrode de travail est constituée d'un matériau catalytique formulé pour réagir avec le gaz détecté, ce qui permet d'obtenir un débit de courant proportionnel à la concentration de gaz. Un circuit de potentiostat est utilisé pour contrôler le potentiel de l'électrode de travail et convertir le courant généré en tension mesurable. La Figure 1 illustre un exemple de circuit recommandé par SPEC Sensors.

Figure 1 : Circuit de potentiostat permettant de mesurer la réponse d'un capteur de gaz électrochimique.

TI a créé une conception de référence de capteur de gaz et un kit d'évaluation utilisant le circuit d'entrée analogique (AFE) LMP91000 à des fins d'interface avec un capteur électrochimique. L'utilisation de ce dispositif, qui intègre un amplificateur d'adaptation d'impédance, simplifie la conception des circuits et permet de programmer des paramètres importants, comme la tension de polarisation et la tension de référence de l'amplificateur d'adaptation d'impédance, sans recourir à des résistances externes. Un capteur de température est également inclus, ce qui constitue un complément utile car la température ambiante peut affecter la réponse de l'électrode de travail. La Figure 2 illustre cette solution intégrée permettant de relever le défi de conception du circuit d'entrée analogique de capteur.

Figure 2 : Le LMP91000 simplifie l'interfaçage des capteurs électrochimiques avec les circuits de surveillance électronique.

Un autre avantage de l'utilisation de la conception de référence de TI est que le kit intègre la technologie Bluetooth® Low Energy, exploitant le circuit intégré radio 2,4 GHz CC2541. Une application mobile est également fournie et permet à l'utilisateur de commencer immédiatement à collecter les données des capteurs et à analyser les résultats sur une tablette ou un smartphone. L'application effectue le post-traitement nécessaire des données brutes, recueillies via le circuit d'entrée analogique LMP91000, et numérisées et transmises par le CC2541.

Conclusion

L'Internet des objets offre l'opportunité de considérablement étendre la surveillance de la qualité de l'air de façon rentable, sous réserve de la disponibilité d'une nouvelle génération de stations de détection à la fois économiques et simples à déployer. Les toutes dernières technologies de capteurs et de circuits intégrés permettent le développement de modules de capteurs miniatures à faible coût pour la détection de polluants, tels que l'ozone, le méthane et l'oxyde d'azote (NOx), présentant un intérêt pour les programmes de surveillance sanitaire et environnementale mondiaux. En permettant aux processus de surveillance de collecter des données fiables sur la qualité de l'air, ces modules pourraient jouer un rôle important dans la prévention des maladies liées à la mauvaise qualité de l'air extérieur et augmenter l'espérance de vie dans le monde entier.