Ventilation Électrique Contrôlée par un Arduino ou comment réguler l'humidité et la température d'une pièce à l'aide d'un Arduino, d'un capteur et d'un extracteur d'air.

Depuis quelques mois, j'enchaine des travaux de réfection dans la maison et je me suis, entre autre, attaqué à remise au propre de petite salle d'eau comprenant une douche, un lavabo et un WC, le tout dans un peu moins de 5 m². Cette pièce exigüe disposait d'une prise d'air en bas d'un côté et d'une autre en haut sur le côté opposé. L'utilisation quotidienne et la faible aération de cette salle d'eau engendrait une forte condensation sur les murs, plafond et mobilier favorisant l'apparition de cloques sous les peintures et éventuellement de la moisissure (yuck!). Bref, un environnement pas agréable.

Je n'ai pas touché au murs carrelés sains, ni au revêtement du sol mais il a fallu procéder à une remise à neuf du plafond (en plâtre + peinture). Puis, pour plus de confort et d'esthétisme, j'ai posé un faux plafond suspendu recouvert d'un lambris PVC dans lequel j'ai intégré un éclairage encastré (spots LEDs).  Ça claque !

La salle d'eau désormais rajeunie, plus lumineuse et agréable à vivre méritait donc qu'on s'occupe de son air ambiant. Le but était d'extraire rapidement l'air au niveau de la prise d'air haute, renouvelé par de l'air entrant par la prise d'air basse. En fouillant les solutions proposées par les magasins de bricolage, j'ai pu trouver différents type d'extracteurs : aérateur simple, aérateur programmable,aérateur avec détecteur de présence , aérateur avec capteur d'humidité intégré. Je ne voulais pas d'aérateur simple branché sur l'interrupteur de l'éclairage car le temps d'extraction aurait été trop court (idem pour l'aérateur programmable). Il me fallait donc un aérateur avec capteur d'humidité, de préférence silencieux et précis. Malheureusement dans ce cas de figure les prix m'avaient rebuté.

J'ai donc décidé, en bon geek que je suis, de faire moi-même le système d'extraction, tout d'abord pour un prix correct et surtout pour mettre en pratique ce que j'ai appris lors de l’initiation à l'Arduino suivie à l'ACoLab de Clermont-Ferrand, une sorte de challenge personnel pour un résultat concret, pratique et utile.

Note 1 : je vais ici vous présenter comment réguler l'humidité et la température d'une pièce. Dans mon cas, je n'utilise pas la régulation de température dans le but de contrôler un chauffage électrique.
Note 2 : je pars du principe que vous êtes familiarisé avec le fonctionnement d'un Arduino et que vous avez quelques notions d'électricité/électronique de base.

Le matériel

Ne disposant pas de tous les composants, j'ai dû faire des emplettes sur le Net. On aura besoin de :

• un Arduino Uno (19,50€)
• une alimentation pour Arduino (peut se trouver moins cher ailleurs ~6€)
• un capteur d'humidité et de température DHT22 que l'on peut trouver  moins cher ailleurs (~5€). Fonctionne aussi avec un DHT21 mais moins efficace.
• un relais 1 ou 2 canaux pour Arduino
• des câbles style jumper (~5€)
• une platine Perma-Proto (~5€)
• un aérateur de ce genre là (~30€)
• si le capteur se trouve loin de l'Arduino, on aura besoin de fil type 22AWG (~5€ la bobine de 10 mètres)
• en option, on peut se payer le luxe de lire les mesures sur un afficheur 1.8" couleur (acheté 9€ il y a deux mois)

Soit 70€ sans l'afficheur TFT.

Le principe

L'Arduino (l’élément central) va périodiquement prendre les mesures relevées par le capteur (humidité et température). Le programme écrit dans l'Arduino contient des consignes. En fonction des mesures relevées, l'Arduino va commander via le relais la mise en route ou non de l'extracteur d'air et/ou du chauffage.

Le schéma du montage

En regardant le schéma de près, on observe que 3 systèmes distincts sont reliés à l'Arduino :

• le capteur hygro/température, protégé par une résistance permettant un transfert stable des données (fil jaune)
• un module relais qui prend ses directives par le fil vert et qui ouvre ou ferme le circuit de sortie.
• un afficheur LCD dont l'affichage est contrôlé par l'Arduino

Note : je n'utilise pas la fonction de régulation de température par chauffage électrique. Si vous souhaitez mettre en place cette fonction, il suffit simplement de relier le pin IN2 du relais au pin 3 de l'Arduino, de brancher le radiateur sur le relais et de dé-commenter les lignes du code ci-dessous.

Pour le fonctionnement de cet écosystème, l'Arduino a besoin d'un programme qui va comprendre plusieurs parties :

• il faut d'abord importer des librairies Adafruit pour lui permettre de reconnaitre le matériel (à mettre dans le dossier arduino/libraries, puis les importer via l'interface Arduino) :
  • la librairie DHT22, téléchargeable sur le Github Adafruit.
  • la librairie Adafruit_GFX (librairie pour l'affichage graphique avec fonctions dessin : lignes, cercles, etc..)
  • la librairie Adafruit_ST7735 (nécessaire pour faire la liaison entre la librairie graphique précédente et le matériel : afficheur et utilisation du slot SD - une sorte de driver)
• ensuite on écrit le code du programme :
  • on déclare les composants non reconnus nativement par l'Arduino et/ou nécessaires au fonctionnement du programme (DHT.h, Adafruit_GFX.h, Adafruit_ST7735.h, SPI.h, Wire.h),
  • on définit les assignations des pins de l'Arduino que l'on va utiliser,
  • on définit les consignes liées aux mesures fournies par le capteur,
  • on déclare la fonction d'initialisation setup() qui est exécutée une seule fois au démarrage,
  • on déclare la fonction la fonction loop() "boucle sans fin" qui est exécutée en boucle une fois que la fonction setup() a été exécutée une fois.
• on téléverse le code dans l'Arduino.

J'ai fait en sorte de commenter en détail le code, j'espère qu'il est assez clair. Il fonctionne correctement mais il est certainement perfectible, aussi je compte sur vous pour me corriger 😉 (le télécharger ici) :

/*
Hygrométrie et température
Contrôle de ventilation/chauffage (fonction thermostat)
Librairies à télécharger et à décompresser dans le répertoire arduino/libraries : 
*Librairie Adafruit pour le DHT22 https://github.com/adafruit/DHT-sensor-library
*Librairie Adafruit pour l'afficheur TFT 1.8" https://github.com/adafruit/Adafruit-ST7735-Library/archive/master.zip
*Librairie Adafruit pour la gestion des opérations graphiques https://github.com/adafruit/Adafruit-GFX-Library/archive/master.zip
Pour utiliser la fonction "radiateur" (second relai IN2, pin Arduino #3), décommentez toutes les lignes correspondantes pour activer la fonction.
Écrit par Ookpik (www.epingle.info) - 2016-02-06
*/

#include "DHT.h"
#include <Adafruit_GFX.h>    // Bibliothèque graphique de base
#include <Adafruit_ST7735.h> // bibliothèque spécifique à la puce ST7735
#include <SPI.h>
#include "Wire.h"
// Définition des pin SainSmart
#define sclk 13 // SainSmart: SCL
#define mosi 11 // SainSmart: SDA
#define cs 10   // SainSmart: CS
#define dc 9    // SainSmart: RS/DC
#define rst 8   // SainSmart: RES // peut être connecté a la RAZ arduino
Adafruit_ST7735 tft = Adafruit_ST7735(cs, dc, rst);

// Définition des pin DHT22
// Pin 1 (a gauche) +5V
// Pin 2 data DHTPIN -> pin 4 Arduino
// Placer une résistance de 10K entre les Pins 1 et 2
// Pin 4 Masse
#define DHTPIN 4
#define DHTTYPE DHT22 // DHT 22 (AM2302)
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

// Définition des consignes :
const int intTimePause = 3000; // Actualisation des valeurs toutes les 3 secondes
int relai_humi = 7; // Relier le pin IN1 du relai au pin 7 de l'Arduino
int cons_humi = 53; // Consigne d'humidité
int relai_temp = 3; // Si installation d'un radiateur, relier le pin IN2 du relai au pin 3 de l'Arduino
int cons_temp = 20; // Consigne température

void setup(void) {
 Serial.begin(9600);
 Serial.print("Hello! ST7735 TFT Test");
 Serial.println("DHTxx test!");
 pinMode (relai_humi,OUTPUT);
 //pinMode (relai_temp,OUTPUT); // À décommenter pour activer le relai radiateur
 
 Serial.begin(9600);
 // Utilisez ce code pour un 1.8" TFT
 tft.initR(INITR_BLACKTAB); // initialise le ST7735S chip, black tab
 // Utilisez ce code pour un 1.44" TFT
 //tft.initR(INITR_144GREENTAB); // initialise le ST7735S chip, black tab
 Serial.println("Initialized");
 tft.setRotation(45); 
 uint16_t time = millis();
 tft.fillScreen(ST7735_BLACK);

 dht.begin();
}

void loop() {
 float h = dht.readHumidity();
 float t = dht.readTemperature();

 // Paramètres de l'affichage
 tft.setTextSize(2);
 tft.setCursor(10, 10);
 tft.setTextColor(ST7735_MAGENTA);
 tft.print("Temperature ");
 tft.setTextColor(ST7735_WHITE);
 tft.setTextSize(2);
 tft.setCursor(30, 30);
 tft.fillRect (0,30,100,20,0x0000);
 tft.print(t);
 tft.print("C");
 tft.setTextSize(2);
 tft.setTextColor(ST7735_YELLOW);
 tft.setCursor(20,60);
 tft.print("Humidite");
 tft.setCursor(30,80);
 tft.setTextColor(ST7735_CYAN);
 tft.fillRect (0,80,100,20,0x0000);
 tft.print(h);
 tft.print("%");
 tft.setTextSize(1);
 tft.setTextColor(ST7735_GREEN);
 tft.setCursor(30,110);
 tft.print("Salle de bain");
 
 // Affichage sur moniteur série Arduino ou par BlueTooth
 Serial.print ("Humidité : ");
 Serial.println (h);

 Serial.print ("Température : ");
 Serial.println (t);
 Serial.println(" ");

 if (digitalRead(relai_humi)==HIGH)
 {
 Serial.println ("Ventilateur en marche");
 }
 else
 {
 Serial.println ("Ventilateur arret");
 }
 Serial.println(" ");

 if (digitalRead(relai_temp)==HIGH)
 {
 Serial.println ("Chauffage en marche");
 }
 else
 {
 Serial.println ("Chauffage arret");
 Serial.println(" ");
 }

 Serial.println(" ");
 Serial.println(" ");

 // Commande des relais
 // Humidité : mise en marche/arrêt de la ventilation
 if (h >= (cons_humi + 2.00)) // Si la mesure h est > ou + à la consigne +2.00 : allumage extracteur
 {
 digitalWrite (relai_humi,LOW); // Si la mesure h est < à la consigne +1.00 : arrêt extracteur
 }
 else
 if (h < (cons_humi - 1))
 {
 digitalWrite (relai_humi,HIGH);
 }
 delay (intTimePause);

 // Température : mise en marche/arrêt du radiateur // Décommenter toutes les lignes ci dessous
 //if (t >= (cons_temp + 2)) // Si la mesure t est > ou = à la consigne +2.00 : allumage chauffage
 //{
 // digitalWrite (relai_temp,LOW);
 //}
 //else
 //if (t < (cons_temp - 1)) // Si la mesure t est < à la consigne -1.00 : arrêt chauffage
 //{
 // digitalWrite (relai_temp,HIGH);
 //}
 //delay (intTimePause);
 //}
}

Mise en place

Je ne souhaitais pas placer un boitier avec les différents composants dans la salle d'eau, aussi j'ai juste placé le capteur DHT22 au plafond et tiré 3 fils jusqu'à l'Arduino à l'extérieur de la pièce.

Le capteur DHT22 et l'extracteur

J'ai pris ce que j'avais sous la main : un boitier de jeu vidéo, chaque élément est boulonné :

Montage Arduino / DHT22 / relais

Le montage final deux semaines après, avec l'afficheur :

Montage Arduino / DHT22 / relais / TFT 1.8

Le boitier (provisoire en attendant de faire une jolie boite) :

Le boitier placé

Ce n'est pas très joli pour le moment, mais comme je dois aussi rénover la pièce mitoyenne, je penserai à mieux intégrer le boitier proprement et esthétiquement.

Retour sur le code et sur le montage

Si, comme moi, vous n'êtes pas très sûr de vous avec tous ces modules électroniques, je vous conseille de faire joujou avec chaque module séparément pour comprendre le rapport code/matériel. En effet, je recommande de faire un montage simple en vous inspirant des tutoriaux Adafruit et autres :

• DHTxx Sensors
• l'afficheur couleur TFT 1.8" chez Adafruit. N'ayant pas acheté l'afficheur Adafruit, je me suis inspiré du tuto Tweaking4All (sensiblement le même qu'avec le TFT Adafruit)
• Il n'y a pas grand chose à faire pour le relais qui ne sert que d'interrupteur pour allumer ou éteindre l'appareil électrique collé dessus. D'autres infos sont disponibles sur le site HowToMechatronics.com. On peut tout de même se faire la main en suivant cet Instructable : Controlling AC light using Arduino with relay module

D'autres sources :

• JosephDattilo.com : How to control Temperature & humidity levels with a DHT11/DHT22 relays and a FAN & Heater
• Instructables.com : Arduino "Talking" Temp / Humidity on a TFT LCD w/ relays
• arduino-creations.blogspot.com : le meilleur car en français et que Jojo est particulièrement sympathique 🙂

Je me suis servi principalement de tous les codes proposés par tous ces sites pour les comprendre et les adapter à mon projet. Le plus compliqué (pour moi) a été la mise en place des conditions if/else. Ce n'est qu'à la fin que j'ai découvert le blog à Jojo, ce qui m'a permis de corriger tout un tas de coquilles (avec un C++). Merci à lui 🙂

Bilan de l'expérience

Après avoir calculé le brassage d'air de l'extracteur, je m'étais mis en tête qu'au bout d'une 10^aine de minutes l'air aurait été totalement renouvelé. En fait, l'hygrométrie de la salle (L 170 x l 130 x H 210 soit ~4,6m³) passe de 99,9% à 50% en une heure environ porte fermée, ce qui est finalement très bien : plus de condensation, air quasiment sec.

Il a fallu tâtonner pour peaufiner la consigne de déclenchement de l'extracteur. Là aussi j'ai été très optimiste et, au début, j'avais inscrit une consigne de déclenchement à 40%. Cela marchait très bien les premiers jours mais c'était sans compter sur une période où le temps était brouillardeux (87% d'humidité à l'extérieur) ce qui a eu pour conséquence de faire tourner la ventilation continuellement. En me basant sur les recommandations d'humidité relative idéale que l'on peut trouver en ligne, j'ai placé finalement la consigne à 53% d'humidité avec une marge de +1% au déclenchement et -3% à l'arrêt (ce qui évite un déclenchement trop fréquent en cas de taux flirtant avec la consigne.

Ce projet fonctionne 24/7 depuis début janvier et c'est franchement stable malgré le 1,5 mètre de fils séparant le DHT22 et l'Arduino (peur de la perte de signal), la salle d'eau est désormais agréable et moderne (et maintenant je me lave et je suis propre...).

Je me suis franchement éclaté à monter tous ces petits modules et rendre vivant concrètement, j'entends utile dans la vie de tous les jours, mon petit Arduino UNO. La prochaine étage sera de récupérer cet Arduino, en créant un PCB et en programmant un microprocesseur ? Il y a encore beaucoup à apprendre 🙂

Comme d'habitude si une coquille s'est glissée dans ce billet, n'hésitez pas à me le dire.