Agriculture moderne : Agriculture intelligente : Configuration et test d’un système intelligent basé sur des capteurs pour l'acquisition de données agroenvironnementales

Agriculture intelligente : Configuration et test d’un système intelligent

basé sur des capteurs pour l'acquisition de données agroenvironnementales

Introduction générale :

Le besoin d'observer et de contrôler des phénomènes physiques (comme la température, l’humidité, la pression ou encore la luminosité,...) est et il était depuis quelques décennies, essentiel pour de nombreuses applications industrielles, militaires et scientifiques. Et il n’y a pas si longtemps, la seule solution qui était possible pour acheminer les données du capteur jusqu'au contrôleur central, était le câblage qui avait comme principaux défauts d'être coûteux et encombrant.

Mais avec l’essor des technologies sans fil qui offre aujourd’hui de nouvelles perspectives dans le domaine des télécommunications. Et en comparaison avec l’environnement filaire, l’environnement sans fil permet aux utilisateurs une souplesse d’accès et une facilité de manipulation des informations à travers des unités de calcul mobiles (PC portable, PDA...).

Cet essor s’est manifesté principalement par les avancées techniques en terme de performances et de miniaturisation, réalisées dans les microsystèmes électromécaniques (MEMS: microcontrôleur, transceiver RF...) et par la création et le développement d’une nouvelle notion, à savoir celle des réseaux de capteurs sans fil , une technologie qui a permet d’offrir des solutions économiquement intéressantes pour la surveillance à distance et le traitement des données dans les environnements complexes et distribués.

Les applications des réseaux de capteurs sans fil sont nombreuses. Elles comprennent différents domaines allants du militaire à l’environnemental passant par des différents domaines touchants la vie quotidienne des hommes et principalement le domaine agricole. Et c’est dans ce cadre-là, que mon Projet de fin d’étude trouve sa place.

En effet, le courant travail consistait à configurer une carte embarquée Fluctus pour l’acquisition les données issues du capteur de température et humidité AM2315, dans un premier lieu, et par la suite d’utiliser des protocoles de communication (Wifi ) pour contribuer à mettre en œuvre l'utilisation de la plate-forme. Le choix d’un tel thème entrait dans le cadre de la future collaboration pour le développement des capteurs optiques envisagée entre le L.S.S.C et CUBIT sous l’encadrement de MOICT.

 CUBIT : Le laboratoire italien « CUBIT » est un laboratoire présenté sous forme d’une société à responsabilité limitée et qui a été fondée en Avril 2007 comme étant le fruit d’une collaboration entre d’une part, les Départements de génie de l'information, de l'électronique, et des technologies de l'information et des télécommunications de l'Université de Pisa, et d’autre part, d’un certain nombre d'entreprises très innovantes dans tout le pays afin de créer un nouveau modèle de collaboration dans le but d'accélérer le processus de tisser ensemble les différents secteurs des télécommunications.et qui mène actuellement ses activités dans les domaines suivants: Prototypage et l'intégration du système; Conseil et ingénierie; Essais et de certification).

 MOICT : est un projet Européen (Morocco research advance in ICT for water): ce projet financé par la commission européenne a pour ambition de renforcer les capacités co-opérationnelles et techniques de l’Université Sidi Mohamed Ben Abdellah de Fès dans le domaine des TICs appliquées à la recherche sur l’eau dans le contexte de l’espace de recherche européen ERA (European Research Area). Il vise également à développer un centre de recherche d’excellence à l’Université Sidi Mohamed Ben Abdellah dans le domaine des TICs pour l’eau.

Et comme étant le projet de fin d’étude proposé consiste à contribuer à la mise en place d’un réseau de capteurs sans fil à utiliser dans le cadre de ce qu’on appelle l’irrigation intelligente ou l’irrigation de précision qui consiste au déploiement de ces réseaux pour superviser des champs agricoles et cela dans le but de la détection des zones sèches afin de bien contrôler le processus d'irrigation, selon le taux d'humidité du sol, j’ai choisi d’aborder le sujet de la manière suivante:

Dans une première partie dédiée dans son premier chapitre à la présentation de la notion d’irrigation intelligente, j’ai essayé de donner une première vue d’ensemble sur la crise

mondiale de l’eau, sa situation actuelle, ses principales causes et les solutions envisagées et à envisager pour faire face à cette crise, avant de passer à une brève présentation de la notion d’irrigation intelligente, ses types, ses avantages, ses inconvénients, et les obstacles rencontrés lors de la mise en place de ce genre de systèmes.
Toujours pour la première partie, j’ai essayé dans le deuxième chapitre de mettre la lumière sur la notion de réseau des capteurs sans fil, ses caractéristiques, ses limites, son architecture et son fonctionnement.

Dans une deuxième partie dédiée dans son premier chapitre à la description du Hardware et du software, j’ai essayé de présenter la carte d’acquisition Fluctus, son architecture modulaire, ses différents modules et le capteur d’humidité et de température AM2315, puis passer à une présentation du logiciel de développement IAR Embedded Workbench ainsi l’interface Virtual LCD

Et pour le deuxième chapitre de cette dernière partie, j’ai essayé de présenter mon travail effectué, en détaillant les différentes phases de réalisation. J’achèverai cette étude par une conclusion dressant le bilan du travail réalisé et abordant les perspectives suite à ce projet.

PARTIE 1: Crise de l’eau, Irrigation intelligente, Réseaux des capteurs sans fil : Notions et Relations
Une irrigation intelligente face à une crise mondiale de l’eau
La crise mondiale de l’eau
En ce début du XXIe siècle, la Terre et ses formes de vie diverses et abondantes (notamment ses 6 milliards d’êtres humains), sont confrontées à une grave crise de l’eau. Tous les signes suggèrent que cette crise s’intensifie et que la situation continuera d’empirer tant qu’aucune action corrective ne sera menée.

En effet, l'eau constitue l’élément qui garde le monde en vie, l’importance de l’eau pour la vie humaine n’est plus à démontrer car il est parmi les composants essentiels dans l’équilibre de l’écosystème dans le monde. Cette ressource qui répond aux besoins fondamentaux de l’homme est un élément clé du développement, en particulier pour générer et entretenir la prospérité par le biais de l’agriculture, de la pêche, de la production d’énergie, de l’industrie, des transports et du tourisme. En outre, l’eau est vitale pour tous les écosystèmes du monde.
Vue d’ensemble sur la crise mondiale de l’eau
A première vue, l’eau semble la ressource la plus abondante sur terre. Mais en réalité, l’eau douce ne représente que 1% de toute l’eau terrestre. Les 99% restants sont indisponibles pour l’utilisation humaine, car on les retrouve sous forme d’eau de mer ou d’eau saumâtre, de neige ou de glace. Alors que les ressources en eau douce ne sont pas extensibles, la demande explose sous l’effet d’une croissance rapide de la population mondiale qui puise dans les réserves de la planète, et d’une augmentation exponentielle de la consommation. 1
Le problème ne se limite pas aux pays en voie de développement. Aux Etats-Unis, pourtant moins densément peuplés, l’offre peine aussi à satisfaire la demande, en raison notamment d’une consommation très élevée liée au mode de vie américain.
Depuis 1900, la population des Etats-Unis a doublé, mais la consommation d’eau par personne a été multipliée par huit, car la technologie et l’amélioration du niveau de vie ont entraîné une multiplication par deux de la consommation d’eau tous les 20 ans.
Aujourd’hui, les Américains utilisent en moyenne 382 litres d’eau par personne et par jour, dépassant de beaucoup le minimum de 78 litres par jour estimé nécessaire pour les besoins vitaux, l’hygiène et la production de nourriture [CE02].
Dans le livre blanc « L’irrigation pour un monde en croissance » publié par Rain et Bird, des options telles que le dessalement, la ré-tarification, le recyclage de l’eau et l’amélioration de l’infrastructure et des systèmes de distribution d’eau requièrent une mobilisation des pouvoirs publics et des organisations internationales.
La crise mondiale de l’eau en chiffres
Entre 1900 et 1995, la consommation mondiale en eau a été multipliée par 6, soit un rythme d'augmentation deux fois plus rapide que celui de la population au cours de la même période. 2
D'après une récente analyse1, la pénurie d'eau dans certaines régions pourrait bien devenir le problème le plus préoccupant du XXIe siècle après la croissance démographique. A première vue, on pourrait penser que l'accès à l'eau douce est un problème purement socio- économique - certains disposant de ressources hydriques et/ou des moyens de les exploiter et d'autres non. C'est oublier que certaines applications de la science comme les engrais chimiques, divers processus industriels ou encore l'irrigation intensive sont en partie responsables de ce risque imminent de pénurie. Heureusement, il est d'autres applications de la science qui offrent au moins une amorce de solutions.
En effet, l’eau est la première cause de misère, de souffrance, d’inégalité et de pauvreté dans le monde. Chaque jour ce sont 25.000 personnes qui décèdent de maladies liées à l’eau, dont la moitié d’enfants. 3
Les maladies hydriques aient causé, en 2004, près de 8 millions de morts, s’imposant ainsi comme la première cause de mortalité dans le monde (dix fois plus de morts que l’ensemble des guerres qui sévissent à travers la planète).
Les principales causes :
Les principales causes d’une telle crise peuvent être résumées en ce qui suit :
-  Une ressource déjà rare : Plus de 70 % de la surface du globe est recouverte d'eau mais 2,5 % seulement de cette masse est constituée d'eau douce, le reste étant l'eau salée des océans. Et sur cette quantité relativement réduite d'eau douce, 1 % seulement, soit moins de 0,007 % de la masse globale des eaux du monde, est d'un accès facile. C'est l'eau qu'on trouve dans les lacs, rivières, réservoirs et les nappes souterraines assez peu profondes pour que leur exploitation soit rentable. Seules ces réserves sont régulièrement reconstituées par les précipitations et la neige et peuvent donc être considérées comme une ressource renouvelable.
-  Une répartition inégale : Les régions largement irriguées par de grands fleuves disposent d'importantes réserves en eau même si le niveau peut varier énormément entre saisons sèche et humide. Alors que le bassin de l'Amazone charrie 16 % de la masse des eaux fluviales du globe, les zones arides, qui représentent 40 % des terres émergées, ne disposent que de 2% du total.
-  La sécurité alimentaire: Plus la population augmente et plus la quantité d'aliments nécessaires pour nourrir la planète s'accroît. Depuis les années 60, les agriculteurs ont recours à l'irrigation intensive pour satisfaire cette demande croissante. L'irrigation représente actuellement 70 % de l'ensemble de la consommation mondiale d'eau douce. Dans les zones arides, l'irrigation absorbe jusqu'à 90 % des ressources en eau disponibles.
   Le gaspillage : Dans un sens, l'eau ne se perd jamais, puisqu'elle passe simplement d'un état ou d'un lieu à un autre. Mais il faut 1400 ans pour qu'une couche d'eau souterraine (ce qu'on appelle un aquifère) se reconstitue.
  A ce sens, on constate que :
  o Dans les pays en développement les fuites représentent jusqu'à 50 % de la perte de l'eau potable.
  o L'irrigation intensive, s'accompagne également de pertes qui peuvent aller jusqu'à 40 % de l'eau de pompage.
  o Les membres d'une famille vivant dans des régions arides d'Afrique disposent de 10 à 40 litres d'eau par personne et par jour pour boire, faire la cuisine et se laver, alors que les habitants des villes d'Europe ou d'Amérique du Nord consomment de 300 à 600 litres par jour et par personne.
  
   La pollution : L'industrie restitue aux fleuves et aux lacs la majeure partie de l'eau qu'elle utilise, mais celle-ci est souvent contaminée. Et l'eau de drainage provenant de l'irrigation contient souvent des engrais et des pesticides qui polluent les sources et les rivières. Andras Szöllösi-Nagy, Directeur de la Division des sciences de l'eau de l'UNESCO, n'hésite pas à qualifier la pollution des eaux de véritable "bombe à retardement". Selon lui, en ce qui concerne les réserves d'eaux souterraines de l'Europe, "on peut considérer que la couche supérieure de l'aquifère est condamnée. La concentration en nitrates et en phosphates y est si forte que nous allons bientôtdevoir forer jusqu'à un deuxième niveau, à supposer que celui-ci existe".4
- 
  
  devoir forer jusqu'à un deuxième niveau, à supposer que celui-ci existe".4
  L'explosion démographique: La population mondiale devrait compter 8,7 milliards d'hommes d'ici 2025, soit 2,6 milliards de plus qu'en 1995, et cette croissance sera surtout sensible dans les régions qui souffrent déjà de rareté ou de pénurie d'eau. A l'heure actuelle, les trois quarts de la population mondiale vivent dans des régions qui consomment un peu plus de 20 % des ressources en eau disponibles.
  
  Le changement climatique : Beaucoup d'analystes prévoient une élévation de un à deux degrés de la température de l'air d'ici 2050 par suite du réchauffement planétaire. Dans les zones arides, cela pourrait entraîner une baisse de 10 % des précipitations et une réduction de 40 à 70 % de la masse des eaux lacustres et fluviales. Dans les régions plus froides éloignées de l'équateur, l'amplitude accrue du dégel printanier pourrait se traduire par des inondations, alors que le débit d'étiage des rivières serait plus faible.
- Comment faire face à la crise mondiale de l’eau
- Une question se pose : aurons-nous assez d'eau, en 2050, pour nourrir les 9 milliards d'habitants de la planète ? L'agriculture en est, de loin, la plus grande consommatrice, avec 70% des volumes. Le message de la communauté scientifique et des praticiens du secteur est aujourd'hui clair : c'est le secteur agricole qui doit en priorité économiser l'eau si le monde veut éviter une crise des ressources hydriques, liée à la fois à l'augmentation des besoins et aux effets du réchauffement climatique. "Il faut doubler la production agricole d'ici quarante ans et, si rien ne change, les besoins en eau pour l'agriculture doubleront aussi, explique David Molden, directeur de recherche à l'International Water Management Institute (IMWI). Nous devons impérativement produire plus avec moins d'eau." D’un coté, des solutions en relations avec les mauvaises habitudes peuvent être envisagées, etd’autre coté, on constate que des solutions techniques existent. D'abord, mieux capter et utiliser l'eau de pluie. Mais pas forcément en construisant de nouveaux grands barrages :
  
  "En développant de petites infrastructures de stockage, et en apportant de petites quantités d'eau au moment où la plante en a le plus besoin, on peut passer d'un rendement de dix quintaux de céréales à l'hectare à trente", explique Sami Bouarfa, spécialiste du Maghreb à l'Institut de recherche pour l'ingénierie de l'agriculture et de l'environnement (Cemagref). De petits aménagements (cordons de pierre, par exemple) ou l'amélioration du travail du sol permettent aussi, en retenant l'humidité, d'améliorer les rendements, parfois de manière spectaculaire.
- Solutions liées à l’utilisation quotidienne des ménages :
- Globalement l’industrie et l’agriculture ont fait de gros progrès pour limiter la croissance de leurs besoins en eau. Seule aujourd’hui la consommation des ménages ne cesse d’augmenter. La production d’eau potable représente 18 % de l’ensemble du volume prélevé.
  Au début, les initiatives d’économie d’eau des ménages ont visé des réductions de consommation à l’intérieur des habitations, telles que la mise au point de modèles de WC plus économes dans les années 1960. Des études ont révélé que les chasses d’eau consommaient jusqu’à 50% du budget des ménages consacré à l’eau. Une décennie plus tard, l’étalement généralisé des villes aux Etats-Unis et les pénuries d’eau résultantes ont incité les sociétés de distribution d’eau à imposer de nouvelles mesures d’économie d’eau domestique et mener de grandes campagnes d’éducation.
  La prise de conscience de la nécessité d’économiser l’eau aussi à l’extérieur, et l’organisation de campagnes de sensibilisation en ce sens, sont plus récentes. 5
  Aujourd’hui encore, la plupart des propriétaires connaissent mieux “les bonnes pratiques“ d’économie d’eau intérieures, telles que l’utilisation de WC à chasse économique, de douches à pompe économique ou de lave-vaisselles ou machines à laver économiques, que les mesures d’économie d’eau extérieures.
- Etant donné que l’irrigation du jardin peut représenter 20 à 50% de la consommation annuelle de 359.614 litres d’eau d’un ménage américain moyen, la réduction de l’arrosage peut contribuer de manière importante à la résolution des problèmes de pénurie d’eau.
  Ceci dit, les particuliers ont souvent bien du mal aujourd’hui à concilier les impératifs d’économie d’eau et leur désir d’avoir un beau jardin. Pour beaucoup, un espace vert favorisant l’économie d’eau évoque des images de sable, de rochers et de cactus, voire même de béton. Cette conception minimaliste constitue peut-être le summum de l’économie d’eau, mais ne fait généralement pas partie des choix envisageables par les personnes concernées, pour des raisons de climat ou de préférences personnelles.
  En résumé, on peut dire que la facilité d’accès à cette précieuse ressource, les mauvaises habitudes, la tranquille négligence et le conditionnement culturel participent de cette surconsommation d’eau. Une petite prise de conscience et quelques gestes simples suffiraient à faire baisser la consommation de chacun d’entre nous sans effort particulier.
  De petits équipements complémentaires et peu coûteux permettent de faire baisser la facture pour le consommateur et pour l’environnement :
  • Le réducteur de débit
  L’équipement s’installe entre le tuyau et la pomme de douche. Il consiste à réduire le diamètre de passage de l’eau. Le débit de l’eau baisse de 50 à 60 % tout en gardant une pression équivalente. D’une douche de 40 litres on passe alors à 20-25 litres !
  • Le mousseur
  
  Le principe du mousseur est identique à celui du réducteur. Il permet en plus d’aérer le jet d’eau ce qui limite le débit réel en offrant une sensation de puissance équivalente. Les mousseurs se fixent sur les embouts des robinets. L’économie attendue est de l’ordre de 50 %
- • Le stop douche :
  Ce système se fixe à la base du tuyau de douche, juste après le robinet. Très pratique il permet d’interrompre momentanément le flux de la douche, le temps de se savonner par exemple, et de le reprendre sans subir de refroidissement. L’équipement permet de gagner jusqu’à 50 % d’eau sur une douche, soit 20 litres environ !
  • Le mitigeur thermostatique :
  C’est un système plus élaboré qui ne s’ajoute pas à la robinetterie mais en fait partie à l’origine. Le thermostat permet de régler la température d’un côté et la puissance du flux de l’autre. Ainsi l’utilisateur ne perd plus d’eau en cherchant la température qui lui convient.
  • La chasse d’eau à 2 vitesses :
  A défaut d’installer des toilettes sèches, solution radicale pour réduire sa consommation d’eau, il est possible de réaliser de conséquentes économies avec une chasse d’eau à double vitesse. Un bouton libère 5 litres d’eau environ, l’autre 9 litres.
  
  Notons que les équipements électroménagers sont désormais classés par leur potentiel d’économie d’énergie. Ce classement est symbolisé par des lettres allant de A pour les plus performants à G pour les plus énergivores. La consommation d’eau est intégrée dans cette classification.
- Solutions liées aux techniques d’arrosage et d’irrigation :
- Arroser plus efficacement son jardin :
- L’eau devient une ressource de plus en plus rare qu’il convient de protéger. Nombreux sont encore les jardiniers qui arrosent de façon inadéquate leur parcelle. Les besoins sont d’environ 6 litres par mètre carré par jour, un jardin s’arrose tous les trois jours en période estivale, quand on sait que 80% de l’eau projetée dans les airs n’atteint pas la plante car elle s’est évaporée, nous nous devons de changer nos habitudes.6
  Cela passe généralement en délivrant l’eau au plus près des racines pour éviter toute évaporation massive. Exemple : un tuyau est relié au robinet qui amène de l’eau au plus près des plantes. Ce tuyau est perforé tous les 30 à 50 cm en fonction de l’espacement des plantations pour un arrosage optimal. Ou encore préférez l’arroseur plutôt que le jet d’eau automatique.
  Cela présente un double avantage :
  • optimisation de l’arrosage,
  
  • économie sur la facture d’eau.
- Bien choisir le type de sol :
- Le type de sol est un facteur important à considérer lors de la conception et de la gestion d’un système d’irrigation. Un sable faiblement pourvu en matière organique retiendra à peine 5% de son poids en eau. Par contre, un sol limoneux pourra en retenir prés de 30 %. Cette quantité d’eau retenue influence directement sur les fréquences d’irrigation. Par exemple, une argile aura assez d’eau en réserve en début de saison pour approvisionner une culture pendant un mois, alors qu’un sable grossier n’aura de réserve que pour quelques jours.
- Analyse des espaces verts
- La conception correcte d’un espace vert dépend pour beaucoup d’une analyse correcte de ses différentes zones. Les systèmes d’arrosage les plus économiques divisent le terrain en zones d’arrosage distinctes, correspondant à des végétations dont les besoins en eau sont différents.
  
  De nombreux jardins comprennent par exemple des pelouses, des par terres de fleurs des massifs, des arbres et même des plantes en pot. Chacun de ces types de végétation a des besoins en eau différents, et doit être traité comme une unité séparée. Des différences d’ensoleillement (z one ombragée ou plein soleil) influencent aussi les besoins d’arrosage.
  Le gazon et certaines autres plantes ont généralement besoin d’un apport d’eau plus important pour rester en bonne santé. Diviser un espace vert en différentes zones évite d’imposer les besoins du gaz on à toute la végétation et de donner ainsi trop d’eau aux massifs et aux arbres, et réduit d’autant la consommation d’eau totale.
  On néglige trop souvent de tenir compte de caractéristiques naturelles préexistantes telles que le relief du terrain et la nature du sol plus ou moins perméable, rocheuse, sablonneuse ou argileuse. Tenir compte de la perméabilité du sol et de l’écoulement naturel de l’eau à travers le terrain permet d’inclure des zones d’arrosage adaptées à la compensation des défauts de drainage.