Introduction 

Dans le cadre des projets d’étude et réalisation du DUT Génie Electrique et Informatique Industrielle de Mulhouse, nous avions un volume de 96h pour réaliser le projet suivant : équiper une cafetière de capteurs pour monitorer son utilisation. Ce projet a duré pendant les quatre cinquièmes du volume horaire total, arrêté brutalement pour cause de COVID-19, c’est-à-dire d’octobre à mars.

Notre équipe s’est formée autour de ce projet par souci d’affinités et de préférences. Ce projet fut encadré par deux professeurs : M. Bazeille et M. Verrier. En dehors de nos heures de travail nous avons développé le projet en complément dans l’IUT LAB pour nous tenir à jour dans le diagramme prévisionnel. 

Membres du projet et répartition des tâches 

Les 4 membres de ce projet.

Anthony Tort Mathieu Rey Victor Seiler Thibaut Cauvez

Une fois les compétences de chacun découvertes, nous nous sommes réparti les tâches de telle sorte:

Présentation du projet

Le projet qui nous a été attribué est celui de la machine à café connectée. Ce projet consiste à apporter des modifications à une cafetière basique (Cosylife CL-PRG27) en y ajoutant des capteurs pour monitorer son utilisation. 

Les différents buts de ce projet sont :

• La prise en main d’une raspberry pi
• L’implantation de capteurs
• La récolte d’informations à l’aide de ces capteurs
• La réalisation de statistiques à partir de ces informations
• L’enregistrement des données sur un site internet

Problématiques 

1. Quels capteurs seront présents et comment les intégrer à notre cafetière ?
2. Comment adapter notre système dans un environnement humide et chaud ?
3. Comment utiliser des informations déjà présentes sur les capteurs de la cafetière ?
4. Comment traiter et croiser ces informations de manière à avoir le plus de données utiles ?

Gestion du projet

1) Bête à cornes

Afin de ne pas s’égarer sur le sujet, nous avons mis en place une bête à cornes:

2) Mindmap

Ce diagramme a pour objectif de guider les avancées du projet.

3) Diagramme de GANTT

Les diagrammes de GANTT nous permet de comparer la durée d’avancement du projet prévisionnelle et réelle.

4) Budget initial 

Notre budget de départ était de 50 euros avec l’emprunt de la raspberry pi et de son écran tactile. Ce budget étant modulable il pouvait augmenter en cas d’achat de fournitures nécessaires au développement du projet qui dépasserait le plafond initial.

5) Liste des achats 

Article(s)	Prix unitaire (TTC)	Quantité	Total (TTC)
Cafetière filtre programmable COSYLIFE CL-PRG27	19.81 €	1	19.81€
Capteur de vibrations ST040	5.60€	1	5.60€
Capteur De Lumière Photosensible	3.97€	1	3.97€
Optocoupleur Traversant (RS : 395-6344)	0.238€	10	2.38€
		Prix Final(TTC)	31.76€

Les prix des résistances, des câbles  et de la carte électronique pour l’optocoupleur ne sont pas pris en compte car sont insignifiants ou récupérés sur d’anciens systèmes.

Réalisation du projet

1) La cafetière à filtre programmable

Ce projet consiste à agir sur la cafetière programmable de la marque Cosylife, il s’agit d’une cafetière basique avec un système d’horloge programmable pour l’allumer et l’éteindre de manière automatique à l’horaire que l’on souhaite.

Marque	COSYLIFE
Type cafetière	Cafetière programmable
Coloris	Noir et inox
Puissance (W)	900 W
Programmable	Oui
Capacité du réservoir (L)	1,5 L
Isotherme	Non
Nombre de tasses max	15 tasses
Maintien au chaud	Oui
Porte filtre	Amovible et lavable
Niveau d’eau visible	Oui
Système anti-gouttes	Non
Type de verseuse	Verseuse Thermo-résistante
Veille automatique	Oui
Descriptif complémentaire	verre plus résistant aux chocs thermiques
Informations complémentaires	Découvrir notre Marque et nos Produits Cosylife
Dimensions produit	H 34,5 cm x L 19,9 cm x P 26,5 cm
Poids net	1,55 kg
Poids brut	2,4 kg
Code article	960086

2) Composants

2.1) Raspberry pi

La raspberry pi est un nano-ordinateur nous permettant de faire le lien avec nos capteurs. En effet, les informations sont directement envoyées sur celle-ci afin d’être traitées et utilisées. Elles sont ensuite envoyées sur un écran LCD afin de les afficher.

Fiche technique:

Processeur	ARM v8, Quad-core 1.2 GHz, Broadcom2837 64bit CPU
Mémoire	1 GB
Connectique	4 x USB 2.0, 1 x CSI, 1 x micro SD, 1 x GPIO, Sortie vidéo et stéréo, 1x DSI
Communication	BCM43143 Wifi WLAN, Bluetooth BLE
Alimentation	Micro USB, jusqu’à 2,5A

2.2) Capteur de vibrations

Le capteur de vibrations permet de détecter l’utilisation de la machine à café. La cafetière tremblant un peu lorsqu’elle fait couler le café, son but ici est de capter ce tremblement. Un potentiomètre nous permet de calibrer le seuil de détection du capteur, ce dernier pouvant être utilisé avec une entrée analogique ou numérique.

Fiche technique:

Alimentation	3 à 5 VCC
Sorties	4 Sorties: VCC, GND, D0,A0
Dimensions	42 x 17 x 9 mm

2.3) Photorésistance

La photorésistance est disposée contre le pichet de la cafetière, nous informant si le réservoir de café est présent ou non. Cette information nous permet de savoir si un café est servi et de savoir combien de fois le réservoir a été retiré.

Fiche technique:

Alimentation	3,3 à 5 VCC
Sorties	4 Sorties: VCC, GND, D0,A0
Dimensions	3,2 x 1,4 cm

2.4) Optocoupleur

Nous utilisons des optocoupleurs afin de récupérer une information là où circule du courant. Ces optocoupleurs sont reliés directement à la cafetière afin de connaître si elle est branchée à un réseau électrique et aussi pour savoir si le bouton ON est activé.

Fiche technique:

Type de montage	Traversant
Type de sortie	Transistor
Tension directe maximum	1,4 V
Nombre de broches	4
Type de boîtier	DIP
Temps de croissance	5µs
Courant d’entrée maximum	50 mA
Tension d’isolement	5 kVrms
Taux de transfert de courant maximum	260%
Rapport de transfert de courant minimum	60%
Temps de chute	4µs

2.5) Ecran LCD tactile

L’utilisation d’un écran LCD tactile nous permet de faire l’affichage de toute les informations récoltées grâce au capteur. L’utilisation d’un écran LCD tactile permet de faciliter l’utilisation de la cafetière car utiliser un écran d’ordinateur serait beaucoup moins ergonomique.

Fiche technique:

Version	LCD
Couleur	16-bit
Affichage	ab 7.0 Zoll
Résolution physique	800 x 400 Pixel
Diagonale	17.78 cm
Modèle	Raspberry Pi
Particularité	Touch kapazitiv

3) Implantation des capteurs

3.1) Capteur de vibrations et photorésistance

Capteur de vibrations 

Pour intégrer le capteur de vibrations à notre cafetière, nous avons eu comme idée de le placer contre celle-ci. L’objectif a été de détecter les vibrations lorsque l’eau, présente dans le réservoir s’écoule dans le filtre. Cela nous a permis de savoir quand la cafetière passe du mode chauffage et remplissage au chauffage de la cafetière seul, et ainsi de connaître la consommation exacte en énergie car la cafetière consomme plus quand elle chauffe et écoule de l’eau. Nous savions aussi que lorsque l’eau s’écoule à un temps T (le débit d’écoulement étant constamment le même) il déverse un certain volume d’eau correspondant à un nombre de tasses à café moyen. Cela nous permis de connaître le volume de ces cafés servis. 

Photorésistance 

La photorésistance placée contre la verseuse en verre nous permet de détecter un changement d’état correspondant à la prise en main de cette même verseuse. Cela permet de savoir que quelqu’un est en train de se servir un café, et ainsi de connaître le nombre moyen de cafés servis à chaque utilisation.

Le branchement des ces deux capteurs, chacun composés de quatre broches, fut assez simple à réaliser :

• VCC = alimentation du capteur (5V)
• GND = masse du capteur
• D0 = information de sortie logique du capteur 
• A0 = information de sortie analogique du capteur

Nous avions uniquement utilisé la sortie D0 des deux capteurs de manière à détecter les changements d’état pour détecter les cas cités précédemment.  

3.2) Optocoupleur

L’optocoupleur est un composant électronique capable de transmettre un signal d’un circuit électrique à un autre, sans qu’il y ait de contact galvanique entre eux.

Dans le cas présent, il permet de récupérer des informations dans la cafetière elle-même et de l’envoyer dans la raspberry tout en séparant les deux circuits car la carte électronique d’où nous tirons les signaux est alimentée en 5V continu mais en 230V  alternatif ce qui est à la fois dangereux pour la raspberry et pour l’homme. Les signaux électriques que nous avons récupérés de la cafetière étant l’alimentation globale de la cafetière pour savoir si elle est branchée à une source de courant et l’appui sur le bouton de mise en marche de la cafetière pour savoir si elle est en veille ou en train de chauffer et faire du café. Nous avons donc deux circuits de l’optocoupleur, séparés mais branchés de la même façon c’est pour cela que l’image décrivant le branchement de l’optocoupleur ci-dessous correspond aux deux circuits de l’optocoupleur. 

Le branchement d’un optocoupleur consiste à récupérer le signal sur la pin 1 sortant par la pin 2  et d’alimenter la pin 3, s’il y a présence de signaux entre la pin 1 et 2 le transistor serra passant et et laissera passer le courant de la pin 4 à 3 pour ainsi récupérer un signal ou non sur la pin 3. En sortie de pin 3 nous avons intégré une diode au pont diviseur de tension pour savoir visuellement si le l’optocoupleur est passant ou bloquant.

Afin d’intégrer l’optocoupleur nous sommes passés par une phase test sur une breadboard puis nous avons dû créer la plaque électronique:

Néanmoins, afin de passer à l’étape de la création, des mesures de protection sont nécessaires à cause du contact avec des produits dangereux. Il faut donc se munir:                                                                                                                                         

De gants en latex

D’une blouse de travail

De lunette de protection

Après la création de la carte virtuellement, l’étape suivante consiste à créer la carte électronique qui est réalisée en plusieurs étapes:

1. Imprimer, découper et passer aux rayons UV

Après avoir imprimé le schéma des pistes KiCad sur une feuille de calque, il faut découper la plaque qui va accueillir la piste avec les dimensions nécessaires. Ensuite, il faut placer la plaque découpée sur la feuille de calque dans les rayons UV afin de créer une réaction chimique sur la résine présente sur la plaque n’étant pas protégée par les pistes de la feuille de calque.

2. Passage au révélateur et nettoyeur

La plaque passant dans le révélateur va afficher les pistes qui n’étaient pas exposées aux rayons UV. Elle va ensuite passer dans une nettoyeuse au perchlorure afin d’enlever les résidus de résine pour ainsi afficher les pistes cuivrées. La plaque sera encore passée aux UV afin d’enlever toute trace de résine.

3. Étamage

La plaque va être ensuite plongée dans de l’étain chimique à froid pour y déposer une couche d’étain sur le cuivre afin de le protéger de l’oxydation.

4. Perçage des pistes

Perçage des pistes avec différentes tailles de foret suivant les différentes pattes des composants. Le trou ne doit être ni trop petit ni trop grand.

Nous avons ensuite intégré l’optocoupleur en utilisant le logiciel kicad puis en réalisant toute les étapes de la création d’une plaque pour enfin l’intégrer dans un boite créé à la découpeuse laser pour nous permettre de le mettre en place et de manipuler le système en toute sécurité.

Voici une vidéo montrant les phases de test de l’optocoupleur ou l’on peut distinguer un changement d’état de l’information récupérée prouvant que le système fonctionne

Une fois tous les capteurs mis en place voici une image montrant comment ils sont disposés dans la boîte (ce n’est pas la disposition finale)

4) Codage 

L’utilisation de la librairie “time” nous permet de savoir la date et l’heure réelle. Nous l’utilisons aussi pour compter la durée d’allumage de la cafetière et pour savoir depuis combien de temps la cafetière est branchée au réseau électrique. Ces valeurs multipliées aux valeurs mesurées de consommation dans ses différents états nous permet de connaître sa consommation en temps réel.

A l’aide d’un appareil permettant de mesurer les Watts par seconde, nous avons fait des tests et des courbes afin d’évaluer la consommation de la machine à café:

La programmation d’un compteur à chaque fois que quelqu’un retire le pichet nous permet de connaître le nombre de cafés servis et de créer des petites alertes (par exemple « changez filtre ») à partir d’un certain seuil dépassé.

On affiche puis on retire très rapidement notre code afin de faire le rafraîchissement des valeurs.

Voici une représentation de ce qu’affiche  l’écran après le lancement de notre programme:

5) Support

Afin de protéger les composants, nous avons dû créer un support. Pour cela, nous avons d’abord imaginé un boîtier qui suit la forme de la cafetière. Ainsi commence la modélisation de la cafetière.

Nous avons pris les mesures de la cafetière et modulé celle-ci. Par souci de moyens, nous avons décidé de changer notre fusil d’épaule et utiliser la découpeuse laser. Nous avons du refaire des plans et penser aux orifices afin de faire passer les fils et les composants et de placer l’écran de la raspberry PI sans que celui-ci ne tombe. Ci-dessous, les plans de la boîte.

Les parties noires signifient l’enlèvement de matière.

Ensuite, nous avons dû choisir la couleur de notre boîtier. Étant donné que nous avons besoin de mettre la photorésistance dans la pénombre, nous avons opté pour un noir uni sans transparence.  

Voici la face avant vue de l’intérieur de la boîte :

Pour fixer l’écran nous avons utilisé un ruban adhésif d’électricien.

Ci-dessous une image de la construction du boîtier:

Nous n’avons guerre pu finir sa construction car il nous faut encore ajuster différents capteurs. 

Bilan

Pour conclure sur notre projet, nous n’avons pas atteint tous nos objectifs principaux. En effet, il reste encore à finir l’intégration du support dans la cafetière puis régler la sensibilité des capteurs en situation réelle et enfin créer et récupérer les informations déjà acquises sur un site web. Malgré cela, la cafetière a reçu beaucoup d’améliorations depuis son état initial.  Nous avons découvert que le fait de modifier un système déjà fini en y ajoutant des améliorations est très intéressant. Nous avons réussi à tenir la plupart de nos prévisions malgré un certain retard pour cause de mauvais branchement de capteur, de programme, support ou encore dû au contexte actuel. Tout en avançant dans le projet nous avons continué à penser à de nouvelles améliorations car le projet nous a beaucoup plu et nous a permis d’apprendre et développer des connaissances portant sur notre formation GEII.

Perspectives d’évolution

Notre projet n’a pas atteint son maximum:

• Nous pourrions piloter la cafetière à distance en enlevant la carte électronique qui pilote la cafetière et en intégrant un système de transistor piloté par la raspberry pi, elle-même pouvant être pilotée par une interface web
• Intégrer un capteur de vibration adapté au système serait un grand avancement pour l’acquisition de nouvelles données et la précision de valeurs mesurées actuelles telles que la consommation électrique et le volume de café créé sur un temps donné.
• La prise en compte de la consommation électrique de la raspberry pi  est intéressante car, à présent intégré au système, il fait partie de la cafetière.
• Fixer un objectif de consommation de la cafetière sur l’interface pourrait sensibiliser ses utilisateurs et faire des économies d’énergie de manière à pouvoir exploiter ce projet dans un but d’économiser l’énergie.

• L’ajout de nouveaux capteurs permettrait de créer plus d’informations, par exemple un capteur de niveau d’eau pourrait informer la quantité de cafés servis.
• Une autre idée serait d’ajouter une information lorsque le pichet est retiré de la cafetière.

En utilisant un autre type de cafetière, nous pourrions pallier au problème de vibrations.

 Remerciements

Nous tenons à remercier l’IUT de Mulhouse ainsi que l’IUT LAB pour le budget et l’apport de matériels.

Également un grand merci à nos professeurs encadrants M. Bazeille et M. Verrier.