- De nombreuses solutions IoT s’appuient sur les technologies de communication sans fil pour transmettre aux utilisateurs et gestionnaires de bâtiments des informations liées à la qualité de l’air intérieur : composés organiques volatils, polluants, particules fines, et autres éventuels produits chimiques tels que le benzène et le formaldéhyde qui peuvent être présent dans certains produits d’entretien ménager…
- Nordic Semiconductor présente les technologies de transmission radio les plus adaptées aux solutions IoT dédiées à la surveillance de l’air à l’intérieur d’un bâtiment.
Par Vince Hagen, responsable du développement des affaires chez Nordic Semiconductor
On entend souvent parler de la pollution de l’air en extérieur. Mais les gens passent beaucoup plus de temps en intérieur, jusqu’à 90 % de leur temps pour les Américains, selon l’agence américaine pour la protection de l’environnement (EPA). Sachant que les principaux risques sanitaires ont pour origine l’absence d’air propre et frais dans nos maisons, bureaux, magasins, salles de gym et restaurants. Dans les pires scénarios, la pollution de l’air en intérieur cause plus de 3,2 millions de décès prématurés par an, selon l’Organisation mondiale de la santé.
L’Institut national américain des sciences en santé environnementale (NIEHS) a dressé une liste des sources de pollution en intérieur provoquées par des activités humaines au sein des bâtiments, telles que la fumée de cigarette, la combustion de carburants solides, la confection des repas et les tâches ménagères, les vapeurs émanant des matériaux de construction, des équipements et des meubles, ainsi que les contaminants biologiques comme les moisissures, les virus et les allergènes.
La plupart de ces polluants sont impossibles à détecter sans appareil de mesure. Par exemple, le monoxyde de carbone généré par les chaudières à gaz est inodore. Si la pièce est correctement ventilée, le gaz qui s’échappe est sans danger et, en cas de fuite, un dispositif classique de détection de monoxyde de carbone vous alertera si les niveaux de concentration dans l’air deviennent dangereux. Mais les choses peuvent rapidement se gâter en cas de micro-fuite permanente, inférieure au seuil de déclenchement des détecteurs conventionnels. Même si ce niveau de fuite a peu de chance d’être fatal, il a été prouvé que les effets sur le long terme de l’exposition au monoxyde de carbone peuvent entraîner des symptômes graves comme des lésions musculosquelettiques, de la fatigue ou des pertes de mémoire.
Heureusement, l’Internet des Objets (IoT) propose des solutions pour pallier ce problème. Un réseau de capteurs offre une réponse plus nuancée et plus immédiate aux risques potentiels, en particulier en cas d’exposition à faible niveau sur le long terme à un type de pollution. Les récentes avancées dans le domaine de la technologie sans fil ont permis de créer un large éventail de solutions évolutives pour la mesure et la surveillance de la qualité de l’air en intérieur. Grâce à ces avancées, on peut facilement installer un vaste réseau de capteurs, indépendant des réseaux informatiques locaux. Combinées à une analyse appropriée, ces données nous permettent de mieux appréhender les facteurs qui influencent la qualité de l’air en intérieur.
Amélioration des conditions environnementales en intérieur
Les technologies de communication sans fil, comme le Bluetooth LE, sont adaptées pour des capteurs compacts alimentés par batterie, analysant l’air dans l’ensemble d’un bâtiment, tandis que la technologie Wi-Fi faible consommation constitue une bonne option pour les capteurs de la qualité de l’air, pouvant bénéficier des points d’accès Wi-Fi existants. Ces deux technologies peuvent envoyer les données vers des passerelles Wi-Fi disposant de ressources suffisantes, qui peuvent à leur tour les envoyer vers une plate-forme Cloud pour un accès distant. Autre option possible : les réseaux Bluetooth LE intégrés au bâtiment peuvent envoyer les données à des passerelles IoT cellulaires, qui peuvent ensuite les envoyer dans le Cloud sans passer par un accès Wi-Fi.
Comme les solutions sans fil ne nécessitent pas de câblage, elles sont simples à intégrer dans les nouveaux bâtiments ou à installer sur des bâtiments existants. Sans connexion physique, il est plus facile de positionner les capteurs de façon stratégique : on peut par exemple installer des capteurs de monoxyde de carbone près des chaudières à combustible fossile, ou dans des pièces ne disposant pas d’une bonne aération.
L’un des principaux avantages de cette nouvelle génération de capteurs par rapport aux modèles traditionnels est qu’ils fournissent un flux continu de données. Ce qui permet d’identifier des tendances de la qualité de l’air sur le long terme pour un bâtiment ou des locaux donnés, autorisant un contrôle plus précis. Par exemple, à partir d’un ensemble de données historiques, on peut déclencher automatiquement une purification supplémentaire de l’air pendant les périodes estivales, lorsque la concentration en pollen est plus élevée, ou bien augmenter l’intensité de la ventilation ou du chauffage aux périodes où la combinaison du froid et de l’humidité pourraient entraîner la formation de moisissures.
Les capacités d’informatique en périphérie du réseau (Egde Computing) permettent aujourd’hui aux appareils IoT de filtrer ce flux continu de données et d’envoyer les informations, au smartphone, à la passerelle ou au Cloud, uniquement lorsqu’une action pour modifier le taux d’humidité, la température, la ventilation ou la purification est nécessaire. La consommation énergétique est ainsi diminuée, tout comme les frais de transmissions de données si l’appareil utilise un spectre radio règlementé.
Les appareils IoT peuvent être intégrés avec une purification de l’air intelligente, des systèmes de filtration et des systèmes CVC intelligents (Climatisation, Ventilation et Chauffage) pour une flexibilité et une précision totalement intégrées. Par exemple, si le taux d’humidité commence à augmenter, entraînant l’apparition de moisissures, le système CVC peut intensifier l’évacuation de l’humidité. Ou bien lorsque les capteurs détectent la présence de dioxyde de carbone, de composés organiques volatiles (l’une des menaces présentes dans l’air parmi les plus dangereuses pour la santé humaine) ou d’autres polluants aériens, les systèmes intégrés peuvent intensifier la filtration de l’air automatiquement.
Les composés organiques volatiles (ou COV) sont largement utilisés dans les peintures et vernis ainsi que dans les produits de nettoyage, de désinfection et les dégraissants. Leur concentration dans l’air peut être jusqu’à 10 fois supérieure en intérieur qu’en extérieur et peut entraîner de sérieux problèmes de santé, y compris des maux de tête et nausées et peuvent affecter le foie, les reins et le système nerveux central selon l’EPA.
Un air plus sain en milieu éducatif
Les solutions commerciales sans fil de surveillance de la qualité de l’air font leur apparition sur le marché et montrent des résultats positifs. En Nouvelle-Zélande, par exemple, des recherches mettant en corrélation un meilleur apprentissage des étudiants et la qualité de l’air en intérieur ont conduit au lancement du projet Te Haratau, une initiative menée par le ministère de l’éducation néo-zélandais.
« Nous avons mis en lumière que la surveillance continue d’un certain nombre de variables environnementales pouvait avoir un impact [positif] sur la santé, la productivité et la fidélité du personnel, qui sont des bénéfices bien trop importants pour être ignorés par n’importe quelle organisation », explique Peter Pooran, PDG de AirSuite.
En 2023, AirSuite a lancé un système de surveillance en intérieur visant à détecter et enregistrer un ensemble de variables environnementales susceptibles d’affecter la santé et la productivité des personnes en environnement commercial, industriel et domestique. Le AirSuite Glance utilise un ensemble de capteurs pour surveiller le niveau de dioxyde de carbone, des COV, la température et l’humidité (ainsi que le niveau sonore, de luminosité et de la pression atmosphérique).
AirSuite utilise la connectivité Bluetooth LE fournie par le SoC (Sytem-on-Chip pour système sur puce) nRF9160 de Nordic Semiconductor pour transmettre les données toutes les minutes directement au smartphone de l’utilisateur, et la connectivité LTE-M ou NB-IoT (IoT cellulaire) du SiP (System-in-Package pour système dans un boîtier) nRF9160 pour envoyer les données pertinentes dans le Cloud toutes les 15 minutes. Grâce à une application dédiée et à une plateforme Web, les utilisateurs peuvent superviser et recevoir les notifications lorsque les paramètres environnementaux sont supérieurs ou inférieurs aux seuils prédéfinis.
Peter Pooran est convaincu que AirSuite Glance va permettre aux organisations de fournir un environnement optimal à leur actif le plus précieux, à savoir leur personnel. Il reconnaît que tout cela est possible grâce à la transmission fiable et sécurisée des données collectées sur un réseau sans fil.
« La connectivité sans fil permet d’offrir une réactivité proche du temps réel pour la surveillance de la qualité de l’air, ce qui est nécessaire car les facteurs environnementaux peuvent varier rapidement, comme le taux de dioxyde de carbone [généré par la respiration humaine] dans une salle de réunion pleine », ajoute Peter Pooran. « Ces alertes permettent une intervention immédiate, ce qui ne serait pas faisable avec une simple analyse des données de l’historique. »
Surveillance de la qualité de l’air au sein des bâtiments
Ailleurs, une solution de surveillance de l’environnement et de la qualité de l’air en intérieur, développée par Adeunis, le spécialiste français des capteurs IoT, est conçue pour une utilisation dans les bâtiments. Les appareils Comfort et Comfort Serenity utilisent des capteurs de température, d’humidité, de dioxyde de carbone et de COV, pour fournir en temps réel des données envoyées dans le Cloud. Fonctionnant grâce au SiP nRF9160 de Nordic, ils offrent une connectivité IoT cellulaire compatible avec les technologies NB-IoT et LTE-M.
« Grâce à nos capteurs, les gestionnaires de bâtiment ont un accès immédiat à des données vitales sur les risques d’exposition à des niveaux élevés de dioxyde de carbone ou de COV », explique Catalina Raba Mora, développeuse matériel RF chez Adeunis. « Ces composés peuvent sérieusement affecter la santé, c’est pourquoi il convient de surveiller et maintenir les niveaux de ces paramètres à une valeur assurant la sécurité. De plus, nos appareils garantissent un confort optimal pour les occupants du bâtiment grâce à des mesures précises de la température et du taux d’humidité. »
Le SiP nRF9160 de Nordic intègre un processeur d’application dédié ARM Cortex-M33 64 MHz, qui offre assez de capacités de calcul pour gérer la batterie de capteurs intégrés dans les appareils Comfort et Comfort Serenity.
Ces deux appareils de Adeunis utilisent une application Android dotée d’une interface NFC pour configurer le réseau et l’application en toute simplicité. Une fois les données de l’appareil transmises dans le Cloud à l’aide du SiP nRF9160, les utilisateurs peuvent les consulter et les gérer. Le serveur Cloud peut offrir un aperçu complet du statut opérationnel des capteurs, du niveau de la batterie, de la qualité du réseau et de la réception des données. Les utilisateurs peuvent déléguer la gestion de l’appareil, configurer les appareils à distance et prendre les mesures nécessaires à partir des données collectées.
« La compatibilité du nRF9160 avec les technologies LTE-M et NB-IoT à partir d’un même boîtier SiP offre une flexibilité inégalée à nos clients situés dans le monde entier », souligne Catalina Raba Mora. « Par ailleurs, les capacités ultra faible consommation du SiP de Nordic ont été un facteur décisif. Avec des entreprises utilisant plusieurs capteurs dans chacun de leurs bâtiments, l’optimisation de la durée de vie de la batterie était un point essentiel. Nos appareils affichent une durée de vie de la batterie de l’ordre de 15 ans. »
En plus de la détection du dioxyde de carbone et des COV, la surveillance de la qualité de l’air sans fil peut aussi être utilisée pour identifier d’autres propriétés potentiellement dangereuses en environnement intérieur. Par exemple, une solution préventive développée à l’initiative de P Alert Industries par Technosphere, une organisation de services d’ingénierie de produits basée en Inde, permet aux responsables de bâtiments et propriétaires de détecter la présence de métamphétamine au sein des locaux.
En cas de fumée et/ou de fabrication de méthamphétamine détectées au sein de la propriété, l’alarme P Alert Meth se déclenche instantanément sur le smartphone de l’utilisateur. Grâce à la connectivité IoT cellulaire proposée par le SiP nRF9160 de Nordic, les alertes et rapports en temps réel sur le niveau de métamphétamine sont envoyés vers une plateforme sécurisée en ligne. La solution permet une surveillance en continu, dont les utilisateurs peuvent ajuster la fréquence.
« Les gens prennent de plus en plus conscience que des niveaux même faibles de métamphétamines peuvent avoir des effets négatifs sur la santé », expliquent James Hansen et Allan Spic, directeurs de P Alert Industries. « L’alarme P Alert Meth offre une indication du niveau de particules de méthamphétamine présent dans la pièce et donc du niveau de contamination. La prévention de la contamination par méthamphétamines est plus efficace que de tenter d’y remédier une fois qu’elle est survenue. »
Les développeurs de l’alarme P Alert Meth ont privilégié la connectivité IoT cellulaire pour différentes raisons. « Nous avons opté pour la connectivité IoT cellulaire NB-IoT/LTE-M plutôt que pour son alternative, à savoir les technologies LPWAN, afin d’accélérer le développement à travers plusieurs pays dans le monde, ainsi que pour optimiser la consommation énergétique tout en évitant de devoir créer une infrastructure sur mesure supplémentaire, constituée de passerelles et serveurs », souligne Bhaskar Rao, PDG de Technosphere.
Optimisation de la gestion sanitaire
L’étape suivante pour le marché des systèmes de surveillance de la qualité de l’air au niveau mondial, qui devrait représenter 6,9 milliards de dollars d’ici 2028, selon l’agence Markets and Markets, consiste à introduire la nouvelle génération de SoC sans fil. Les SoC multi-protocoles nRF54H20 et nRF54L15 de Nordic constituent de bons exemples de cette étape. Ces SoC réduisent la consommation énergétique, améliorent la sécurité (les SoC sont conçus pour le niveau 3 de la certification PSA), et limitent la nomenclature grâce à un haut degré d’intégration.
Le nRF54L15 est adaptés aux équipements terminaux faible consommation et aux coûts minimisés, prêts à prendre en charge plusieurs protocoles (dont, entre autres, Bluetooth 5.4, Bluetooth NLC/Mesh 1.1, Matter et KNX IoT). Le nRF54H20 convient aux équipements terminaux haut de gamme, qui nécessitent davantage de puissance de calcul sans compromettre la consommation énergétique ou les applications de passerelle monopuces (par exemple, associé à la puce complémentaire nRF7002 pour le Wi-Fi).
Ces deux SoC disposent d’assez de ressources pour permettre l’apprentissage machine (ML, Machine Learning). Ce type de SoC peut par ailleurs utiliser les données sur la qualité de l’air collectées sur de longues périodes pour entraîner les modèles ML. Les modèles sont ensuite appliqués aux capteurs, qui peuvent à leur tour permettre d’ajuster de façon intelligente les systèmes CVC du bâtiment et autres systèmes pour optimiser la santé et le confort des occupants.
Par exemple, les systèmes du bâtiment peuvent automatiquement ajuster les paramètres en réponse à certains évènements, en activant un purificateur d’air et/ou un déshumidificateur avant l’augmentation prévue du nombre des occupants, à certains moments de la journée, puis en les désactivant quand les occupants quittent le bâtiment. Ce type d’optimisation des équipements réduit la consommation énergétique en évitant toute utilisation inutile, tout en créant des environnements en intérieur finement réglé pour le bien-être des occupants.
Le renforcement de l’intégration du ML à la surveillance de la qualité de l’air sans fil laisse présager l’amélioration des analyses prédictives, qui permettront des prises de décisions mieux documentées entraînant de meilleures conditions sanitaires. Ainsi, on obtiendra des solutions IoT qui fourniront un bol d’air frais bienvenu dans tous les lieux fermés où nous passons la majorité de notre vie.
