Bilan

Prototypage de cartes électroniques pour réparation des DEEE

Description du projet :

Le projet a pour but le développement expérimental de cartes électroniques génériques permettant de s'affranchir des pannes électroniques, pour l'instant extrêmement souvent rédhibitoires pour une démarche de réparation. Il serait alors possible de lutter efficacement contre l'obsolescence programmée, la faible disponibilité des pièces de rechange et l'énorme variété de systèmes de commandes non compatibles.

Une ambition supplémentaire serait d'étudier la possibilité d'inclure à ces cartes une fonction connectée afin d'optimiser l'usage.

Bilan de l’Étude préalable

Une étude préliminaire à ce projet a été réalisée afin d’identifier une première liste non exhaustive des différents cas de figure potentiels et ainsi pouvoir commencer à dresser des pistes de solution.

Nous pouvons donc classer les équipements en trois grandes catégories :

• Les équipements embarquant une machine à états

Dans cette catégorie nous retrouvons les machines jouant des cycles particuliers tel que les machines à laver le linge ou la vaisselle, certains sèches linge, etc.

• Les équipements embarquant un dispositif de régulation

Cette catégorie correspond aux réfrigérateurs et congélateurs qui doivent maintenir une température définie, les plaques chauffantes entrent également dans cette catégorie, les bouilloires, etc.

• Les équipements embarquant un simple dispositif d’allumage

Cette dernière catégorie comprend les dispositifs basiques disposant uniquement d’un système de mise en marche éventuellement équipé d’un régulateur de vitesse comme les aspirateurs, les blenders, les ventilateurs, etc.

Il est important de noter que certains dispositifs disposent d’éléments de sécurité, indépendant de la carte principale, permettant de mettre à l’arrêt la machine en cas de détection de certains dysfonctionnements. C’est le cas des machines à laver par exemple disposant de détecteur de présence d’eau indiquant un problème d’écoulement. Ces dispositifs peuvent soit agir directement sur l’alimentation générale de l’équipement, ou plus couramment, transmettre une information à la carte électronique de pilotage. Dans ce dernier cas, un code d’erreur est généralement affiché à l’utilisateur.

Il est à noter également que de plus en plus d’équipements intègrent des afficheurs et autres écrans, parfois tactiles. Même si ces dispositifs ne sont pas toujours nécessaires, ils sont régulièrement à l’origine des pannes. Deux cas de figures sont alors possibles :

• L’afficheur est autonome

Dans ce premier cas de figure, un remplacement de l’écran est envisageable. Toutefois, il sera nécessaire de comprendre les intercommunications entre l’afficheur et le reste du système.

• L’afficheur est intégré à la carte mère

Dans ce second cas de figure, le remplacement de l’intégralité de la carte est nécessaire.

Enfin, un troisième volet important concerne l’alimentation électrique des appareils. Deux cas de figure peuvent se présenter :

• Les équipements sur batterie

Nous identifions deux sous catégories :

• Les équipements disposant de batteries amovibles

• Les équipements intégrant les batteries

Dans ces deux cas, deux sources de panne peuvent apparaître, une défaillance des batteries ou une défaillance du chargeur, qu’il soit intégré au dispositif ou externe. Dans le cas d’une défaillance de la batterie, il est fréquent que seules quelques cellules qui composent la batterie soient défaillantes.

• Les équipements alimentés sur le secteur

Dans cette seconde catégorie, il est préférable, pour des questions de sécurité, de remplacer le bloc d’alimentation qui est généralement indépendant plutôt que de chercher à le réparer. De plus, il n’est pas rare que plusieurs modèles d’équipement, même plusieurs marques, partagent le même bloc d’alimentation.

Prochaines Étapes

Dans un premier temps, nous avons retenu deux types d’électro-ménagers pour constituer nos preuves de concept. Il s’agit d’un lave-vaisselle et d’un congélateur. Au travers de ces deux premières preuves de concept, nous couvrons une part importante des cas de figure identifiés dans le point précédent.

Les prochaines étapes prévues sont :

• Identifier l’ensemble des sous-systèmes qui constituent les appareils et pour chacun d’entre eux :

• Identifier les capteurs impliqués

• Identifier les actionneurs impliqués

• Identifier l’ensemble des entrées sorties de la carte de commande

• Identifier l’ensemble des éléments d’alimentation de puissance (une attention particulière sera portée sur la mise en sécurité électrique des personnes)

Apport du projet

Permettre d’offrir une seconde vie aux électro-ménagers présentant un dysfonctionnement électronique est bien l’objectif principal de ce projet. Mais nous voyons apparaître un second apport de notre démarche dans ce projet. En effet, l’intégration de cartes programmables dans les dispositifs va permettre de bénéficier de nouvelles fonctionnalités, notamment en matière de communication. En effet, il est fréquent que les cartes programmables de type compatible Arduino® ou Raspberry PI® intègrent des puces bluetooth® ou wifi.

De plus, la démocratisation de ces cartes et les communautés d’utilisateurs qui sont apparues depuis quelques années, laissent à penser que des échanges de codes sources ou de paramétrages pourraient apparaître.

Ambition et stratégie pour la phase 2

Le projet que nous proposons n’a pas pour ambition de permettre de réparer l’ensemble des appareils électroménagers en panne. La complexité et la grande variété de ceux-ci rendent cette mission impossible. En revanche, notre travail sur ce projet peut nous permettre d’initier une démarche qui, nous l’espérons, trouvera écho auprès d’autres acteurs apportant des compétences complémentaires, et ayant pour finalité de faire bouger les lignes en matière d’obsolescence programmée et de taux de réparabilité des électro-ménagers.

Nous proposons ainsi, pour la 2ème phase de notre projet, et pour tenir compte des freins, problématiques et premiers éléments de faisabilité identifiés, de concevoir et développer différentes briques, basées sur des technologies accessibles, tant financièrement que techniquement, permettant d’assurer les fonctionnalités essentielles des appareils électro- ménagers. Que ce soit pour la lecture de l’état d’un capteur ou pour piloter un moteur, une pompe ou tout autre actionneur, ces briques technologiques permettront la création de cartes génériques permettant de remplacer à terme les cartes défectueuses.

Compte tenu de la complexité des appareils et des difficultés à obtenir des informations sur les éléments les constituant, nous proposons de réaliser un premier jeu de preuves de concept.

Celles-ci permettront d’une part de prouver qu’il est faisable de remplacer les cartes électroniques d’un appareil électroménager par des cartes génériques adaptées et permettant d’assurer toutes les fonctions de base de la machine. Mais ils valideront également l’ensemble des outils et moyens mis en place pour documenter et diffuser les informations techniques relatives aux briques technologiques impliquées.

Phase 2 : Redéfinition d'une carte générique pour les réfrigérateurs... Et extensions de la démarche

Le point sur la démarche et les retours terrain

Nous sommes à une époque charnière où se rencontrent plusieurs générations d’appareils de production de froid aux technologies radicalement différentes; l'analyse des modes de fonctionnement et l'incompatibilité des organes principaux nous amènent donc à différencier notre travail de recherche.

Parmi le parc étudié, et conformément aux retours d’expérience de nos partenaires réparateurs (Envie, Emmaüs et indépendants), nous distinguons 3 familles :

• Les modèles les plus anciens et les appareils les plus basiques fonctionnent à partir d’un compresseur animé par un moteur asynchrone, et ne possèdent donc pas de capacité de variation de vitesse. Ces moteurs nécessitent donc une commande des plus basiques. La quasi-totalité d'entre eux ne possède même ni ventilation contrôlée, ni dispositif élaboré.

Le besoin de commande est donc réduit au minimum : une interruption discrète de l'alimentation. Pour cette catégorie d'appareils, même si la réalisation d'une carte électronique ou son implantation pourrait effectivement en assurer le fonctionnement, il n'est pas opportun d'envisager cette possibilité de commande : un seul module thermostat disponible sur tous les sites de vente en ligne généralistes pour une dizaine d'euros suffit à en assurer le fonctionnement.

Une description précise des éléments et des processus nécessaires à la remise en route de ce type d'appareil pourra être trouvée sur la documentation ouverte qui pourra permettre la continuité et l'essaimage de l’action de recherche.

• Une famille intermédiaire comprend les appareils dont le moteur entraînant le compresseur est toujours un moteur de type asynchrone, mais qui possède également des fonctions supplémentaires, de ventilation essentiellement, permettant de gérer également la répartition de la température et un contrôle de l'humidité.

Pour ce type d'appareil, le thermostat basique est insuffisant. Le fonctionnement faisant appel, en plus de la commutation de base, à une captation de données, le remplacement de système de commande défaillant par un modèle code source se trouve pertinent.

• Enfin, les appareils les plus récents et les appareils plus hauts de gamme adoptent quant à eux un type de moteur totalement différent qui permet grâce a des plages de vitesse étagées d'afficher des niveaux de consommation électrique beaucoup plus flatteurs et donc de faire monter le classement du réfrigérateur sur l'échelle de la frugalité énergétique.

Ces technologies utilisent des modulations de fréquence pour optimiser la consommation. Les moteurs de type inverter qui les animent présentent des caractéristiques complexes, non publiées, et utilisant des solutions électroniques ou logicielles propriétaires, fermées.

Nous rejoignons ici les problématiques soulevées pour les appareils de lavage : Il devient impossible dans ces conditions de dégager une solution générique.

La carte générique pour les réfrigérateurs de type intermédiaire

Introduction

Ce dossier technique présente le Prototype de carte mise au point pour un réfrigérateur à moteur asynchrone gérant, en plus de la température, l'humidité et pilotant donc une ventilation. Nous ajouterons donc à l'appareil, pour les questions de cohérence entre le capteur de la carte électronique du traitement un capteur de type DHT 11 qui permettra le contrôle de la température et de l'humidité à l'intérieur du frigo.

Les données du capteur sont ensuite utilisées pour contrôler le compresseur du frigo et le ventilateur afin de maintenir les constantes de conservation à un niveau optimal.

La température et l'humidité idéales sont les deux facteurs essentiels pour la conservation des aliments.afin d’empêcher la prolifération des bactéries et la détérioration des aliments : 4 à 6 C pour la température, et 60 à 70 % pour l’humidité. Les températures d’usage peuvent différer des optimales théoriques.

Le dispositif retenu comprend donc, outre la carte de commande basée sur la base d’électronique programmable Arduino, un capteur DHT11 pour mesurer la température et le taux d'humidité et un module 2 relais pour contrôler le compresseur et le ventilateur du frigo. Y est ajouté un système Bluetooth pour collecter et envoyer les données émises par le système sur une application dans un appareil distant (Smartphone,Tablette, ou ordinateur) ; l’utilisation d'un appareil extérieur a été retenue pour éviter l'implantation sur l'appareil lui-même d'un écran de contrôle et d’un système de réglage. Écologiquement et économiquement parlant, cette mutualisation des moyens nous paraît être la plus pertinente vu le taux d'équipement pour le moins en Smartphone de la population cible.

L'usage induit par ce choix sera de plus la collecte de datas nous permettant d'avoir un retour statistique sur l'utilisation et le mode de fonctionnement des appareils en question.

Les détails et les données techniques de cette carte sont disponibles dans le dossier de documentation ouverte, dans le dossier technique.

Les limites des cartes génériques

Notre projet était initialement d'étudier la possibilité de construction de cartes génériques pour les réfrigérateurs, et également d'étudier leur généralisation aux autres appareils de gros électroménager, appareils de lavage en particulier.

Bien que nous ayons montré qu’il était possible de remplacer la carte électronique en charge du pilotage des différents sous-systèmes des appareils électroménagers, quel que soit leur type (lavage, froid, etc.) nous sommes constamment confrontés aux deux mêmes problématiques :

• D’une part, il est très difficile, voire impossible dans certains cas, d’obtenir suffisamment d’information sur les composants qui constituent l’appareil considéré. Une approche empirique avec pour objectif d’essayer de retrouver par différents tests et essais les caractéristiques des composants, bien que toujours possible, est longue et peut se révéler dangereuse dans

certains cas. Et même si nous arrivions à faire fonctionner les différents éléments, rien ne nous garantit que ce soit dans des conditions optimales. Nous accélérerions alors leur vieillissement, au risque de remettre tout le système en panne à nouveau.

• D’autre part, même si nous venions à identifier les principaux composants, les modifications que nous apporterions aux appareils, au regard de la réglementation, provoqueraient un transfert de responsabilité. Ainsi, si un problème, quel qu’il soit, venait à survenir sur l’appareil, même si ce dernier n’était en rien causé par notre modification, le fabriquant pourrait se dédouaner de ses obligations.

A cette étape du projet, nous pourrions donc conclure que le remplacement des cartes électroniques défaillantes par des cartes génériques pour permettre d’allonger la durée de vie des équipements électroménagers n’est pas une solution suffisamment universelle pour être finalement pertinente .

Si nous changions de solution ?

Henri Ford disait « L’échec est seulement l’opportunité de recommencer de manière plus intelligente ». C’est bien cette philosophie qui guide notre démarche et nous pousse donc aujourd’hui à repenser la problématique sous un autre angle.

Mais tout d’abord, reprenons l’objectif initial que nous nous étions fixé et le contexte dans lequel il se place, à la lumière des contraintes avec lesquelles nous avions borné notre démarche.

C’est devant les volumes impressionnants d’équipements électro-ménagers, qui s’entassent dans les décharges, équipements qui, pour certains, sont d’apparence quasi neuve, que l’ambition de ce projet est née : limiter au maximum cette accumulation en prolongeant la durée de vie des appareils. Une des principales contraintes à respecter pour rendre pertinente et viable notre démarche était de proposer une solution dont la mise en œuvre resterait dans un budget raisonnable, et pour laquelle, la mise en œuvre, si elle n’était pas faite par le propriétaire de l’équipement lui même, pourrait être faite par un fablab.

La première solution proposée, à savoir le remplacement de la carte électronique de contrôle n’étant plus suffisamment d’actualité pour les raisons que nous avons détaillées dans la partie précédente, nous avons pris un peu de hauteur par rapport à nos objectifs initiaux.

Il ressort de cette analyse que l’attitude la plus efficace écologiquement n’est pas forcément de chercher à réparer un appareil en panne, mais bien d’éviter qu’il ne tombe en panne. En effet, nous l’avons démontré, le remplacement des cartes défaillantes, sans parler des problèmes de responsabilité, ne garantit pas un fonctionnement le plus optimal qui soit.

L'étude effectuée sur nos différents appareils de test nous montre que dans la plupart des cas, cela ne pouvait guère être deviné avant cette longue phase de recherche : la panne constatée sur la carte électronique provenant d'un fonctionnement non optimal des composants principaux, moteur, pompe, pièces mécaniques et autres composants.

La solution que nous recherchions semble donc dans de nombreux cas n'être qu'un cache- misère qui, faute d'enrayer les causes, ne ferait que prolonger temporairement la durée de vie; les mêmes causes entraînant les mêmes effets, la solution ne présenterait aucune garantie de pérennité.

Ainsi, l’appareil pourrait consommer plus que la normale, se fatiguer plus rapidement également et enfin, dans des cas extrêmes, être dangereux pour les utilisateurs.

Définition de la solution

Suite à l’étude des cas de panne les plus souvent rencontrés, il ressort un nombre limité de causes, toutes liées à des phénomènes physiques qu’il est tout à fait possible de surveiller. Si une machine est capable d’indiquer certains dysfonctionnements, notre approche s’inspire beaucoup plus de la maintenance prédictive que des simples voyants d’alerte qui généralement s’allument lorsqu’il est déjà trop tard et que le système a déjà souffert. De plus, cette surveillance active permet également d’acquérir un ensemble d’informations intéressantes sur les vraies consommations des équipements, souvent bien différents des chiffres annoncés par les fabricants. Ces informations sont également précieuses pour l’optimisation de la consommation en énergie des foyers qui peuvent, sur une base chiffrée, adapter leurs habitudes afin de réduire leurs factures.

Notre nouvelle proposition repose donc sur la mise en place de capteurs génériques, positionnés dans les équipements électro-ménagers de manière précise et optimale afin d’être en mesure de remonter des informations sur l’état de santé de l’appareil concerné. Ces capteurs communiquant en temps réel, permettront de détecter au plus tôt le moindre phénomène anormal, aussi minime soit il, permettant alors une action mesurée qui souvent se résume à un nettoyage, graissage, ou éventuellement à une maintenance par un réparateur agréé.

Dans le cadre de cette étude, nous avons étudié les principaux phénomènes à observer et les actions qui pourraient être nécessaires pour éviter la panne.

• Consommation électrique de l’appareil

Une mesure des élévations de la consommation électrique de l’équipement est signe d’un futur dysfonctionnement. Dans le cas des réfrigérateurs, par exemple, l'exposition à une température ambiante inadaptée, le positionnement par rapport un mur ou une source de chaleur peuvent influer considérablement sur le fonctionnement, et faire sortir les composants de leur zone optimale. La surconsommation électrique induite en est alors le marqueur ; l'alerte donnée par notre système permettrait d'identifier le déséquilibre qui entraînera à plus court terme le dysfonctionnement et la panne.

Cependant, seule, cette information ne se révèle pas toujours suffisante pour identifier le problème précis.

• Mesure de vibration

Cette mesure, notamment dans le cas de machines équipées de système tournant, peut s’avérer très pertinente. Elle peut être le signe d’un roulement défectueux, d’un problème de réglage d’alignement d’axe, ou encore d’un moteur qui commence à fatiguer. Au delà de l’identification d’une panne, ce phénomène provoque assurément une augmentation de la consommation électrique.

• Mesure de température

Prise à des points précis, tout comme pour les vibrations, cette information est le signe d’un dysfonctionnement probable.

• Mesure d’humidité

Cette mesure, prise à des emplacements où il ne devrait pas y avoir d’humidité, montre généralement qu’un joint a besoin d’être remplacé, ou qu’un carter de protection fuit. Cela

peut également être un problème de conception qui nécessitera une surveillance renforcée et un entretien régulier.

Cette liste n’est bien entendu pas exhaustive, mais elle constitue la base de note proposition de développement d’un dispositif de monitoring des données des équipements électro-ménager.

Proto

Afin de pouvoir valider notre nouvelle approche, sans pour autant mettre en œuvre des outils et logiciels trop complexes, nous avons développé différents capteurs, communiquant et connectés avec un système d’affichage et de remontée d’alerte.

Pour faciliter la mise en œuvre de ces capteurs, nous avons utilisé différentes technologies, sélectionnées pour leur simplicité de programmation et de déploiement. Ainsi, les cartes de contrôle ainsi que la majorité de capteurs sont des produits M5Stack, ces derniers pouvant être programmés via une interface web qui accepte du No-code.

La majorité des familles disposant aujourd’hui d’une connexion internet, c’est via ce média que nous ferons communiquer nos capteurs avec le dispositif d’affichage en temps réel en utilisant le protocole MQTT. Ce dernier, fréquemment utilisé par les objets connectés, repose sur un principe émetteur / récepteur où nos capteurs sont les émetteurs, et le système d’affichage est le récepteur.

Avantages de la démarche et perspectives

Cette approche présente de nombreux avantages, notamment celui de pouvoir bénéficier, si ce n’est des capteurs déjà utilisés dans l’industrie, des retours d’expériences importants sur ce domaine. Un autre avantage est qu’il existe de nombreux capteurs, peu onéreux, et suffisamment fiables pour l’usage escompté. Enfin, l’ensemble des protocoles, outils de reporting, base de données, etc. existent et sont disponibles pour la grande majorité gratuitement.

Enfin, cette approche nous permet d’envisager une perspective très intéressante et qui va totalement dans le sens de nos valeurs. En effet, la capitalisation et la centralisation de l’ensemble des données de fonctionnement des appareils, complétées par les contextes d’utilisation (famille nombreuse, collectivité, usage intensif ou non, qualité de l’eau, etc.) sont autant d’informations qui révèlent les performances et notamment les performances énergétiques réelles des appareils.

Outre le fait qu’un modèle économique pourrait être construit sur la base de ces données permettant ainsi de financer tout ou partie de la démarche, l’existence de cette mine d’informations pourrait avoir d’innombrables déclinaisons.

Un pas de côté pour un pas en avant

De nos expérimentations et études d’appareils, il nous apparaît difficile de viser une uniformisation de protocoles ou solutions techniques de réparation, tant les systèmes sont fermés, les solutions uniquement propriétaires, et les optimisations logicielles impénétrables.

Par contre, de nos échanges avec nos partenaires réparateurs et Envie, naît une piste qui paraît prometteuse. et qui nous tente tout particulièrement :

Construire des appareils électroménagers modulaires opensource en sélectionnant des composants récupérés en déconstruction, courants, connus et fiables. La commande électronique de ces appareils peut être sur le modèle de la preuve de concept mise en place dans la phase 1 de ce projet lors de la modélisation du système de lave linge.

Et tant qu'à faire un pas en avant ne nous privons pas du plaisir de faire un entrechat : des échanges avec nos partenaires sont apparues des problématiques simples qui, traitées facilement par les outils quotidiens de nos Fablabs, pourraient remettre en circulation des appareils voués actuellement à la destruction; pour l'instant, dans les réseaux de réparation, l'absence de pièces aussi communes que des pieds plastiques de machine à laver, de roulettes de lave vaisselle, de boutons de commande condamnent l'appareil à la casse, quel que soit son état mécanique ou électrique.

Nous continuons donc également à travailler cette nouvelle piste beaucoup plus prometteuse écologiquement qu'il n'y pouvait paraître initialement. Ces pièces définies et modélisées seront bien entendues, et toujours via notre documentation ouverte, déposées sous licence libre et accessibles gratuitement pour tous.

Résumons avant d’aller plus loin...et plus large

Le pari que nous avions fait au début de cette démarche, celui de pouvoir dessiner une solution globale de réparation des organes électroniques de commande des appareils de gros électroménager se révèle contrarié par plusieurs freins incontournables et fortement limitants, non intrinsèquement liés à la démarche elle même, mais induits par deux acteurs extérieurs :

-De la part des constructeurs, l’opacité des caractéristiques, des composants, des systèmes électroniques et logiciels propriétaires sur lesquels il est impossible de trouver la moindre documentation, ni même de description des caractéristiques de fonctionnement. Pour chaque appareil, il serait alors nécessaire de tenter une reconstruction de la documentation en enceinte isolée de laboratoire ; c’est techniquement et économiquement inenvisageable.

-L’étude des normes et législations, partie de la présente étude, nous amène à la conclusion que chaque appareil réparé devrait repasser une homologation, dans la mesure où l’autoréparation n’est pas encore prise en compte par les politiques de conformité et de sécurité.

Ce travail de recherche commun des 3Lapins et du CrunchLab aboutit bien à la validation pour le moins en théorie de la proposition de départ : nous avons prouvé qu’il nous était possible de reconstruire une carte électronique en charge du pilotage des différents sous-systèmes des appareils électroménagers, quel que soit leur type (lavage, froids, etc.).

Par contre, la pertinence du développement physique de cette carte de commande est avérée pour une seule catégorie d’appareils : les réfrigérateurs de catégorie intermédiaire. La carte en question est validée ; il restera donc maintenant à mobiliser les partenaires et institutions concernées pour faire évoluer la législation avant que nous puissions passer à sa phase de fabrication et de distribution pour une implantation et une utilisation plus généralisée.

Tout au long de cette action de R&D collaborative, nous n’avons pas perdu de vue le but premier de toute la démarche : réduire la quantité d’appareils mis au rebut, et l’impact écologique des D3E. Les freins et blocages rencontrés nous ont permis d’envisager de nouvelles « branches » pour notre action et d’en élargir la capacité d’impact :

-la remise en circulation via et par les réseaux de réparateurs d’appareils par la conception et la fourniture de pièces mécaniques indispensables en collaboration avec le réseau de fablabs.

Nous travaillons sur la mise en place d’une bibliothèque ouverte de fichiers et tutoriels ouverts.

-la conception d’appareils électroménagers opensource basée sur l’utilisation de composants courants, connus et fiables récupérés lors de la déconstruction effectuée par les réseaux de réparation, et pilotés bien entendus par la carte électronique générale que nous avions envisagée.

Nous sommes très reconnaissants à l’ADEME et à la Région Bourgogne Franche-Comté de nous avoir donné les moyens de mettre notre énergie et notre profond engagement écologique au service de cette tâche ; nous continuons donc l’action et mettons d’ores et déjà en ligne une documentation ouverte dans laquelle tout un chacun pourra retrouver les résultats de cette démarche de R&D, les dossiers techniques des différents éléments, les résultats des sessions de tests des nouvelles cartes en cours de développement, ainsi que les bases de données ouvertes qui découleront des phases de mesures et des collectes d’utilisation.

Cette documentation est disponible à l’adresse suivante :

https://communs.fablab3lapins.org/shelves/d3e-3lapinscrunchlab