Quelle est la Précision de Flow ?

Version courte

Flow est le capteur personnel qui démocratise la compréhension de la pollution. Nous l’avons conçu pour que la mesure de la qualité de l’air ne soit plus cantonnée aux laboratoires mais soit entre les mains de tous. Il a été développé par une équipe d’experts en qualité de l’air et en électronique, en collaboration avec des partenaires scientifiques et académiques de calibre mondial.

Malgré les contraintes technologiques qui pèsent sur un tel effort de miniaturisation, Flow est un bond en avant en termes de précision et de fiabilité dans sa catégorie.

En termes scientifiques, la corrélation observée entre Flow et les capteurs statiques de référence pour les polluants que nous mesurons est de 90 à 95%.

Version longue

De même que si l’on vous arrêtait dans la rue pour vous demander : “c’est rapide, un train ?”, un peu de contexte supplémentaire s’impose pour apporter une réponse vraiment complète.

Précis, oui, mais comparé à quoi ?

Procéder à une première catégorisation des outils de mesure de la qualité de l’air utilisés aujourd’hui permettrait déjà d’y voir un peu plus clair. Voici une méthode possible :

Stations de mesure : instruments de référence pour les administrations locales et (inter)nationales, on en trouve par exemple 12 réparties dans Paris intra-muros. C’est à partir des données de ces stations que vont être prises des décisions politiques et définies puis suivies les réglementations trans-nationales. Peu de capteurs sont plus précis, mais avec un coût d’installation de 30k€ à 150k€ et le besoin d’une équipe dédiée, vous aurez beaucoup de mal à en installer une dans votre jardin...

Capteurs de laboratoire : principalement utilisés… dans les laboratoires ! De la taille d’un bureau à la taille de vos deux mains doigts écartés, ils auront en général trois zéros avant le € sur l’étiquette. Ils sont très précis mais peu transportables et conçus pour fonctionner dans des environnements contrôlés (c’est à dire des espaces clos où la quantité de pollution dans l’air est précisément déterminée). Les ingénieurs R&D de Plume Labs utilisent ce type d’appareil pour tester et calibrer Flow.

Capteurs grand-public : conçus pour être utilisables par n’importe qui. Ils tiennent sur un bureau ou dans la main et leur mission est de vous aider à mesurer la qualité de l’air dans votre quotidien (qui n’est absolument pas un environnement contrôlé, cf plus haut). Ce type de capteur est par essence une miniaturisation de technologies beaucoup plus volumineuses, à un centième ou un millième du coût. Comme vous pouvez l’imaginer, cela veut dire qu’il y aura des compromis à faire… que nous allons détailler un peu plus bas !

Quelle précision attendre de la part d’un capteur grand public ?

Soyons honnêtes, à un centième ou un millième du coût de production d’une station de mesure financée par l’Etat, comparer les relevés d’un capteur grand public et de l’une de ces dernières a peu de sens.

Les capteurs grand public sont conçus avant tout pour accompagner l’utilisateur dans ses choix de santé personnelle. Ils doivent donc exceller dans les domaines suivants :

• Aider leurs utilisateurs à comprendre les niveaux de pollution auxquels ils sont exposés en termes de seuils correspondant à différents niveaux de risque pour la santé.
• Contextualiser et expliquer les mesures afin que les utilisateurs comprennent leur exposition par rapport à leur environnement et à la moyenne de la population.
• Détecter précisément les pics et variations - du point de vue de la santé personnelle, une détection précise, fiable et instantanée du passage d’un seuil de qualité de l’air à l’autre doit être la première des priorités.

Que signifie se concentrer sur la détection de pics et variations ?

C’est le résultat des compromis nécessaires à tout  exercice de miniaturisation : les lois de la physique s’imposent sans répit à un capteur qui se veut dix ou cent fois plus petit que ses aînés.

La concentration en particules fines (PM), par exemple, se mesure à l’aide d’un laser. Expliqué simplement, plus le laser est puissant, plus la mesure est précise. Cependant, plus le laser est puissant, plus il est gros et consommateur en énergie. Très rapidement en se déplaçant le long de cette échelle, il devient impossible de créer un capteur qui est à la fois aussi précis qu’une station de mesure et qui tient dans la main. Si l’on veut une autonomie supérieure à  quelques minutes, tout du moins.

Lorsque l’on se projette dans un usage quotidien, l’analogie aux thermomètres grand public est assez appropriée pour comprendre ce qui découle du compromis taille / précision : une déviation de + / - 0.1°C ou 0.2°C pour un thermomètre acheté en pharmacie est acceptable car c’est la précision sur l’ordre de grandeur supérieur qui est primordiale. Je n’ai pas à m’inquiéter si ma température passe de 37.0 à 37.2°C. J’ai à m’inquiéter, par contre, si celle-ci passe de 37.0 à 39.0°C.

Avec la qualité de l’air, il s’agit de compter entre 0 et 2000 parties par milliard (ppb) ou entre 0 et 200 microgrammes (µg/m3). La complexité induite est bien supérieure à celle des thermomètres, mais nous savons bien que les utilisateurs n’en sont pas moins exigeants :)

Donc, l’équipe qui se met en tête de créer un capteur grand public de qualité de l’air performant doit avant tout investir son énergie dans la détection fiable des variations de la qualité de l’air entre des seuils qui correspondent à des impacts concrets sur la santé.

Pourquoi Flow est-il un capteur grand public en tête de sa catégorie ?

Flow est avant tout la combinaison de deux choses:

• Des composants électroniques (capteurs, ventilateur, transistors, résistances, tous soudés sur un circuit imprimé) qui traduisent une quantité toujours changeante de particules et molécules de pollution dans l’air en une variation de courant électrique. 
• Un firmware, logiciel embarqué ou “cerveau” du capteur qui traduit les variations de courant électrique en signal numérique. Ce signal est à son tour traduit en concentrations de polluants et ensuite converti en AQI pour être envoyé à l’application Flow via Bluetooth.

A eux deux, composants et firmware se complémentent pour faire de Flow un capteur qui répond au mieux aux contraintes imposées par son format portable.

Pour plus d’infos sur le fonctionnement général de Flow, suivez ce lien !

Flow, le capteur que vous tenez (ou tiendrez peut-être bientôt) au creux de votre main est le résultat de quatre ans de recherche et développement par une équipe de docteurs en sciences atmosphériques et en électronique, d’experts en data science et en machine learning, de vétérans du design et de l’industrialisation.

Ce temps et cette expertise réunis ont permis à Plume Labs de créer un capteur qui :

• Dans sa catégorie mesure le plus large éventail de polluants qui impactent la santé au quotidien, en intérieur et en extérieur : PM2.5, PM10, NO2, COVs, fournissant 24H de mesures continues sur une seule charge de sa batterie (voir ici pour plus d’informations sur les capacités de la batterie de Flow).
• Procède à son auto-calibration grâce à des techniques avancées de machine learning exécutées par le firmware.
• Contribue à une cartographie mondiale, temps-réel et collaborative de la qualité de l’air (voir ce blogpost pour plus d’information).

Chaque nouvelle mise-à-jour du firmware amène son lot d’améliorations sur la précision et l’auto-calibration de Flow. Chacune est rigoureusement et systématiquement testée en collaboration avec nos partenaires scientifiques et académiques parmi lesquels se trouvent le LISA du CNRS en France, King’s College et Imperial College à Londres, ainsi que l’université de Sheffield. Plume Labs est d’autant plus attachée à cette rigueur qu’une grande partie de l’équipe vient de domaines scientifiques et/ou académiques.

Pour une analyse détaillée des performances de Flow comparée aux instruments de laboratoire de référence, vous trouverez en suivant ce lien un livre blanc (en anglais) produit par notre équipe datant du 23 mai 2019. Sa principale conclusion : la corrélation observée entre Flow et les capteurs statiques de référence pour les polluants que nous mesurons est de 90 à 95%.

Comment la précision de Flow évolue-t-elle à mesure que le capteur vieillit ?

Dans le monde de l’électronique existe le concept de dérive, qui affecte sans discrimination les appareils électriques de la planète entière.

Prenons l’exemple de l’un des composants les plus courants que l’on puisse trouver soudés sur un circuit imprimé : une résistance (Flow en contient 73). Son rôle est de diminuer l’intensité d’un courant électrique entrant d’une valeur bien spécifique. Cependant chaque résistance a ce qui s’appelle une tolérance, légère déviation acceptée par rapport à sa valeur nominale. Avec des déviations qui peuvent osciller entre 0,01% et 5%, en réalité, on ne trouve jamais vraiment deux résistances identiques… Cela signifie que lorsque votre circuit en contient 73, la somme des petites déviations peut vite en devenir une grosse !

Mais les choses ne s’arrêtent pas là. Avec le temps, les composants électroniques “vieillissent” et leurs propriétés mécaniques et chimiques s’en trouvent affectées. Ce qui signifie par exemple qu’avec le temps, une résistance va dévier encore plus loin de sa valeur nominale qu’au premier jour. Lorsque vous étendez ce phénomène à l’ensemble des composant qui vivent à l’intérieur de votre objet, vous commencez à comprendre où réside le problème. C’est ça, la dérive !

La solution : la calibration. C’est l’acte d’adapter l’algorithme que vous déployez pour interpréter les variations de courant électrique afin de tenir compte de la dérive de vos composants.

Une majorité de capteurs grand public demandera à ses utilisateurs d’opérer manuellement cette calibration. A l’inverse, Flow s’auto-calibre grâce à son firmware et au back-end de l’application : la calibration a lieu à chaque fois qu’il y a une transmission de données entre Flow et son app via Bluetooth.

Cela signifie que l’utilisateur de Flow est libéré de toute action de maintenance et que Flow garantit automatiquement la stabilité de ses propres mesures dans le temps.

Plusieurs Flows mis côte-à-côte me donneront-ils exactement les mêmes mesures ?

Si vous avez poursuivi la lecture jusqu’ici (merci et félicitations, d’ailleurs !), vous aurez probablement déjà une intuition de ce que la réponse peut être…

Deux ou trois ou dix Flows assis sur une étagère produiront-ils entre eux des mesures de concentrations ou d’AQI qui connaissent des déviations ? Oui, c’est probable - au vu de tout ce que nous avons dit jusque-là, le contraire (10 Flows indiquant pour 4 polluant séparés les mêmes mesures à l’unité près) serait peut-être même légèrement suspect.

L’exigence que vous devez avoir en tant qu’utilisateur est que plusieurs Flows se trouvant dans la même pièce se positionnent sur le même seuil de pollution.

A une nuance près : admettons que le “vrai” AQI de la pièce soit de 19 sur l’échelle Plume (PAQI). 20 PAQI étant la limite entre pollution Faible et Modérée, lorsque l’on applique à cela une déviation acceptable, certains Flows seront un peu en dessous de 19, d’autres un peu au-dessus. Concrètement, certains auront donc leurs diodes lumineuses qui s’illuminent en orange, d’autres en vert. Ce qui ne devrait pas se produire, c’est deux Flows dans un même endroit à la qualité d’air homogène, l’un avec des diodes vertes, l’autre avec des diodes violettes. Si vous vous retrouvez dans ce genre de situation, n’hésitez surtout pas à contacter le support !

Comment maximiser la précision de mon Flow ?

Par une méthode assez simple : utiliser son Flow autant que possible.

Deux raisons principales à cela : 

1. L’auto-calibration : plus le laps de temps entre deux synchronisations Flow-téléphone est long, plus le firmware de Flow aura des difficultés à correctement calibrer l’appareil. Nous recommandons actuellement de synchroniser vos données au moins une fois par jour.*
2. Plus la communauté Flow est active, plus Plume Labs collecte de données et de retours utilisateurs permettant d’améliorer précision et calibration du capteur !

En conclusion

• Flow est fait pour vous suivre dans tous vos déplacements. Il a été imaginé pour les rues, pas pour les laboratoires. Les avancées dans les domaines de l’électronique et de l’auto-calibration nécessaires à l’existence de cet objet le placent réellement en tête de sa catégorie, y compris en termes de précision.
• Pour qu’il excelle dans sa mission de santé personnelle, ce qui compte par-dessus tout est que Flow positionne de façon fiable son utilisateur dans un système de seuils qui correspondent à des impacts concrets sur la santé. Testé aux côtés de capteurs statiques de référence, Flow version 1 affiche déjà des corrélations extrêmement élevées, et ne va aller qu’en s’améliorant.
• La précision de Flow dans le temps est étroitement liée à son utilisation régulière du fait de sa calibration dynamique. En d’autres termes : plus vous utilisez Flow, plus précis il restera.

*Pour certains parmi vous, cela peut sembler beaucoup… c’est pourquoi la calibration dynamique embarquée arrive bientôt (embarquée signifiant que Flow se calibre seul, sans synchronisation nécessaire avec votre smartphone) !