Box domotique DIY: conception et fabrication du PCB

Introduction

Comment concevoir un système capable de mesurer les conditions d'un logement, de commander des équipements électriques et de rendre ces informations accessibles depuis une interface locale ou distante?

Le projet BOSCONNECT associe une carte électronique personnalisée, un firmware embarqué et une interface connectée. Il réunit l'acquisition des mesures, l'affichage local et la commande des sorties autour d'un ESP32.

Figure 1: Prototype assemblé avec écran TFT, carte ESP32, lecteur RFID, capteurs et circuits de commande.

1. Architecture générale du système

Le système domotique s'articule autour de deux parties:

• La carte embarquée, qui lit les capteurs, gère l'interface locale et pilote les sorties
• La couche connectée, qui permet de stocker les mesures, de consulter leur historique et de transmettre des commandes

1.1. Carte embarquée autour de l'ESP32

Le microcontrôleur ESP32 est au centre de la carte. Il coordonne les périphériques et exécute le firmware. Les interfaces numériques permettent de communiquer avec les capteurs et les modules, tandis que le Wi-Fi assure la connectivité réseau.

Les principales fonctions matérielles sont:

• Acquisition de la température et de la pression
• Mesure de la luminosité
• Acquisition du signal du module de détection de gaz
• Lecture des badges RFID
• Affichage et commande via un écran tactile TFT
• Pilotage des relais et du variateur
• Échange de données avec les services distants

Pour approfondir le rôle du microcontrôleur dans ce type de montage, consultez le guide de l'ESP32, de ses caractéristiques et de sa programmation.

1.2. Vue fonctionnelle

Figure 2: Architecture fonctionnelle du système BOSCONNECT.

L'ESP32 assure les interactions avec le matériel. Firebase complète cette architecture par des fonctions de stockage, d'authentification et de supervision.

1.3. Analyse fonctionnelle

Figure 3: Fonctions d'usage, fonctions techniques et solutions retenues pour la carte domotique.

2. Capteurs environnementaux

La carte intègre trois modules de mesure: le BMP280, le BH1750 et le MQ-9.

2.1. BMP280: température et pression

Le BMP280 fournit des mesures de température et de pression atmosphérique. Le firmware doit initialiser le capteur, lire les mesures, vérifier leur validité et les rendre disponibles à l'interface locale ou distante.

2.2. BH1750: luminosité

Le module GY-302 basé sur le BH1750 permet de mesurer l'éclairement ambiant. Cette donnée peut être affichée ou utilisée dans un scénario d'automatisation de l'éclairage.

2.3. MQ-9: acquisition d'un signal de détection de gaz

Le MQ-9 est destiné à la détection de certains gaz, notamment le monoxyde de carbone et des gaz combustibles. Son signal demande une interprétation prudente: le préchauffage, les conditions d'utilisation et l'étalonnage influencent la mesure. Une lecture brute ne constitue pas automatiquement une concentration fiable.

3. Actionneurs: relais, variateur et RFID

3.1. Relais électromécaniques

Le schéma prévoit deux relais doubles et un relais simple associé à la fonction RFID. Ils permettent de commander des circuits électriques à partir des sorties logiques du microcontrôleur, via des circuits de pilotage adaptés.

Le dimensionnement doit tenir compte de la tension et du courant de commande, des caractéristiques des contacts, du type de charge et des conditions thermiques. L'état des sorties au démarrage et en cas de perte de communication doit être défini explicitement dans le firmware.

3.2. Variateur électronique

Le schéma comprend un circuit de variation utilisant un triac et une commande synchronisée avec le passage par zéro de la tension alternative. Dans un variateur à angle de phase, le retard de déclenchement du triac permet de modifier la puissance appliquée à une charge compatible.

3.3. Lecteur RFID

Le lecteur RC522 permet de lire les identifiants de badges compatibles. Cette fonction peut être utilisée pour déclencher une action ou contrôler l'accès à une fonction du système.

4. Conception du schéma sous KiCad

Le schéma regroupe les fonctions en blocs: microcontrôleur, écran, RFID, capteurs, relais, variateur, alimentation et connecteurs. Cette organisation facilite la lecture, le diagnostic et les modifications futures.

Figure 4: Schéma électronique de la carte domotique conçu sous KiCad. Cliquez sur l'image pour consulter les détails en taille originale.

Avant le routage, il est important de vérifier:

• Le brochage réel de chaque module
• La correspondance entre symboles et empreintes
• La polarité des composants
• Les alimentations et les masses
• Les affectations des broches du microcontrôleur
• Les connexions des bus de communication

Le contrôle ERC de KiCad aide à détecter certaines erreurs de connexion, mais ne remplace pas une revue manuelle du schéma, en particulier pour les circuits de puissance.

5. Placement et routage du PCB

Le routage transforme le schéma en pistes en cuivre. Le PCB présenté utilise deux couches de cuivre, ce qui permet de répartir les connexions sur les deux faces du circuit.

Figure 5: Routage du circuit imprimé: composants, pistes et connecteurs.

Le placement regroupe les éléments par fonction: écran et interface utilisateur, microcontrôleur, capteurs, lecteur RFID, relais et borniers. Cette organisation facilite l'accès aux connecteurs, mais doit également respecter les contraintes électriques et thermiques.

Les pistes ne doivent pas toutes avoir la même largeur. Leurs dimensions doivent être adaptées au courant, à l'épaisseur du cuivre et à l'échauffement admissible. Les circuits sensibles doivent être étudiés en tenant compte des retours de courant et des perturbations possibles lors de la commutation des charges.

Le guide de placement des composants PCB permet d'approfondir cette étape avant de finaliser le routage.

6. Fabrication du PCB chez JLCPCB

La fabrication nécessite un export propre des fichiers de conception. Depuis KiCad, il faut générer les fichiers Gerber des couches de cuivre, du masque de soudure, de la sérigraphie et du contour, ainsi que les fichiers de perçage.

Pour comprendre le rôle de ces données de fabrication, consultez le guide complet des fichiers Gerber PCB.

1. Exporter les Gerber et les fichiers de perçage depuis KiCad
2. Importer les fichiers sur la page de devis PCB JLCPCB
3. Vérifier l'aperçu du circuit, les dimensions et les couches
4. Sélectionner les paramètres de fabrication
5. Contrôler le devis, les options et la livraison
6. Valider la commande

Les paramètres de cette commande sont les suivants: PCB FR-4 à deux couches, épaisseur de 1,6 mm et cuivre extérieur de 1 oz. Le circuit mesure 180 × 110 mm et la commande porte sur 5 exemplaires. Les vias sont masqués, le diamètre minimal de perçage est de 0,3 mm et aucun placage des bords n'a été demandé.

7. Firmware, Wi-Fi et Firebase

Le firmware en C++ initialise les périphériques, acquiert les mesures, gère l'écran et les badges, puis pilote les sorties. Le Wi-Fi permet les échanges avec les services distants de Firebase.

8. Sécurité électrique et limites des essais

La carte regroupe des circuits logiques basse tension et des circuits de commande susceptibles d'être reliés au secteur, notamment au niveau des relais et du variateur à triac.

La séparation entre les circuits basse tension et secteur doit être vérifiée, notamment au regard des distances d'isolement, du routage du PCB et des composants de protection.

Avant toute utilisation avec le secteur, il reste nécessaire de vérifier les distances de fuite et d'isolement, les largeurs de pistes, la tenue des borniers et des relais, ainsi que les protections adaptées à la charge. Le variateur à triac doit être réservé à un type de charge compatible avec la commande par angle de phase.

9. Essais fonctionnels

Les vérifications fonctionnelles à consigner portent sur l'initialisation et la lecture des capteurs BMP280, BH1750 et MQ-9, l'affichage des mesures sur l'écran TFT, la lecture d'un badge RFID et la réaction des sorties de commande.

Les relais peuvent être contrôlés par commutation sans charge secteur. Le variateur doit être vérifié séparément avec une charge compatible et dans un environnement d'essai sécurisé. Les valeurs du MQ-9 doivent être interprétées comme un signal de capteur et non comme une mesure certifiée de concentration de gaz.

La connexion Wi-Fi et les échanges avec Firebase doivent également être vérifiés: affichage local en l'absence de réseau, reconnexion après rétablissement du Wi-Fi et cohérence des commandes distantes.

Au redémarrage, il est recommandé de placer les sorties dans un état sûr et connu, puis de ne réappliquer une commande distante qu'après initialisation et validation de la connexion.

10. Améliorations possibles

Plusieurs évolutions peuvent renforcer le système:

• Améliorer la séparation entre les zones basse tension et secteur
• Documenter les largeurs de pistes et les distances d'isolement
• Ajouter une journalisation des erreurs et une gestion explicite des capteurs indisponibles
• Définir le comportement des sorties après un redémarrage ou une perte réseau
• Améliorer la gestion des rôles et la validation des commandes distantes
• Documenter la structure de la base Firebase et la politique de conservation des mesures

Conclusion

La box domotique réunit une carte électronique personnalisée, un firmware embarqué et une couche de supervision connectée. L'ESP32 assure l'acquisition et la commande locales, tandis que Firebase apporte les fonctions de données et d'accès distant décrites dans le projet.

La démarche de conception va du schéma KiCad au routage du PCB, puis à la fabrication, à l'assemblage et aux essais. Elle montre l'importance de considérer ensemble le matériel, le logiciel et la sécurité électrique.