L'objectif principal de cet article est de faire connaître les microcontrôleurs comme une approche à faible coût pour la surveillance en temps réel des facteurs environnementaux liés à l'agriculture à petite échelle. La première section présente les utilisations potentielles des données, telles que la température de l'air et du sol, qui peuvent être surveillées à l'aide d'une gamme de technologies. Pour ceux qui souhaitent explorer l'utilisation des microcontrôleurs, il existe des ressources supplémentaires de ECHO, notamment le code de programmation des projets de microcontrôleurs entrepris à ECHO et page de questions et réponses sur ECHOcommunity.org. Nous ferons de notre mieux pour répondre à vos questions.
Utilité de la surveillance des champs
Les petits agriculteurs fondent leurs moyens de subsistance sur la productivité de petites parcelles de terre, qui est influencée par des facteurs environnementaux tels que la température, l'humidité du sol, les précipitations, la lumière du soleil et l'humidité. Les agriculteurs et les jardiniers gèrent leurs cultures et leur bétail en fonction de ces facteurs. Les précipitations saisonnières et l'humidité du sol, par exemple, déterminent le moment où les agriculteurs plantent et irriguent. Grâce à l'expérience et à l'observation attentive de leurs cultures et de leurs sols, les agriculteurs acquièrent une conscience aiguë des conditions météorologiques et pédologiques qui influent sur le rendement des cultures. Rien ne peut remplacer ce type de connaissances innées pour prendre des décisions quotidiennes en matière de gestion.
Pourtant, la capacité de mesurer et de surveiller avec précision les conditions de croissance peut profiter à la petite agriculture de manière importante. Les agriculteurs pourraient utiliser ces données pour éclairer leurs décisions. Les données de terrain sont également utiles pour évaluer les innovations ou les pratiques en fonction de leur potentiel d'amélioration de la production agricole. Imaginez un scénario dans lequel un champ-école d'agriculteurs teste une nouvelle variété de maïs. Étant donné que les conditions météorologiques peuvent varier d'une année à l'autre, ou même d'un champ à l'autre, il serait utile de suivre la température et les précipitations pendant l'essai. Ainsi, chacun connaîtrait les conditions exactes dans lesquelles la nouvelle variété a réussi ou n’a pas réussi. Un technicien ou un agent de développement participant à la recherche pourrait jouer un rôle dans l'acquisition et la mise en place de dispositifs de collecte de données dans les parcelles expérimentales. Le tableau 1 énumère quelques autres applications de surveillance des conditions environnementales.
| Paramètre de suivi | Applications agricoles potentielles |
|---|---|
| Température de l'air |
Production végétale : 1) évaluation des variétés de cultures en fonction de leur tolérance à la chaleur ; 2) sélection des cultures en fonction des températures dominantes ; 3) calcul des degrés-jours de croissance (unités thermiques) 1 pour prévoir les stades de croissance des cultures et prendre les décisions de gestion correspondantes. Banque de semences : évaluation de l'efficacité des techniques de stockage (par exemple, structures en sacs de terre ou enfouissement des semences dans des récipients hermétiques sous terre) pour stabiliser la température et prolonger la durée de vie des semences. Volaille : surveillance des conditions des poussins ou des canetons nouvellement éclos. |
| Température et humidité du sol | Gestion des sols : 1) évaluer l'efficacité des résidus de culture ou du paillis pour atténuer les extrêmes de température et préserver l'humidité du sol ; 2) déterminer l'efficacité des pratiques d'arrosage/irrigation. |
| Précipitations | Agriculture générale : 1) évaluer la tolérance des cultures à la sécheresse ; 2) décider quand planter en fonction de la quantité de pluie reçue et de son effet sur l'humidité du sol ; 3) décider quand irriguer. |
| Humidité |
Banque de semences : 1) évaluation de l'efficacité des desséchants et des récipients à conserver les semences orthodoxes au sec ; 2) surveillance des espaces de stockage pour éviter que le taux d'humidité n'atteigne des niveaux favorables aux moisissures. Gestion des maladies des plantes : 1) anticiper les périodes où l'incidence des maladies pourrait être élevée ; 2) évaluer le moment où il faut planter pour que les grains/graines arrivent à maturité lorsque les moisissures et les maladies fongiques sont le moins susceptibles de poser problème (ceci est également lié aux précipitations) |
| Lumière |
Gestion des cultures de couverture : évaluation de la mesure dans laquelle les cultures de couverture font de l'ombre au sol. Agroforesterie : évaluation de la mesure dans laquelle différents arbres ou combinaisons de plantes font de l'ombre au sous-bois. |
Formule : DJC = ([température maximale + température minimale]/2) - température minimale pour la croissance des cultures
Par exemple, disons qu'un jour donné, les températures ont atteint un minimum de 25°C et un maximum de 32°C.
La culture pour laquelle nous calculons les DJC cesse de croître si les températures descendent en dessous d'un minimum de 10°C.
Par conséquent, le nombre de DJC pour ce jour = ([32 + 25]/2) - 10 = 18,5. Cette opération est effectuée pour chaque jour de croissance de la culture, ce qui permet de suivre le nombre cumulé de DJC au cours de la saison de croissance.
Figure 1. Un microcontrôleur Arduino® Nano qui surveille la température et l'humidité dans une salle de conservation de semences à ECHO. Source: Tim Motis
La surveillance automatisée des conditions affectant les cultures, les semences et les animaux fait appel à des appareils de mesure électroniques équipés des capteurs souhaités. Avec l'utilisation croissante des téléphones portables, il est de plus en plus possible d'obtenir des données en temps réel dans des environnements à faibles ressources. Même sans accès à Internet, il est possible d'enregistrer et de stocker des données automatiquement. L'obstacle le plus important à l'utilisation de ces technologies par les agriculteurs est peut-être la nécessité de disposer d'un ordinateur pour télécharger des données ou des logiciels. J'espère cependant faire la lumière sur une technologie abordable qui 1) est utile pour mener des expériences agricoles ; 2) rend les données accessibles aux agriculteurs ; 3) peut être utilisée pour surveiller les conditions dans les espaces agricoles tels que les banques de semences (Figure 1) ; et que 4) les agriculteurs peuvent potentiellement utiliser (après prototypage et programmation).
Technologies exclusives et technologies à licence libre
Les technologies exclusives sont généralement produites dans des usines avec des restrictions de droits d'auteur sur le codage et la conception. Tant que vous les installez correctement, en suivant les manuels d'instructions fournis, elles fonctionnent généralement comme prévu et prennent peu de temps à installer. Cependant, le coût des enregistreurs et des stations météorologiques exclusives est souvent hors de portée des petits agriculteurs et de ceux qui travaillent parmi eux. Une station météorologique de niveau recherche peut facilement coûter 800 USD ou plus. Même avec les garanties et l'assistance technique de l'entreprise, la maintenance des produits et le remplacement des composants endommagés constituent un défi dans de nombreuses régions du monde. En outre, les produits nécessitent souvent des mises à jour des logiciels et finissent par devenir « obsolètes », obligeant l'utilisateur final à acheter du matériel plus récent.
Cet article se concentre sur la technologie à licence libre liée à la gamme des microcontrôleurs Arduino®. Ces technologies sont basées sur le libre partage de la conception des logiciels et du matériel. Les inconvénients de ces technologies sont qu'elles demandent du temps pour les assembler et pour développer le code logiciel qui les fait fonctionner. La programmation est toutefois simplifiée grâce au logiciel Arduino IDE disponible gratuitement et le micrologiciel (programme) peut être édité si nécessaire pour des modifications futures. De plus, les composants sont disponibles sur des sites internationaux tels que AliExpress et Bangood et sont facilement remplaçables. En ce qui concerne le coût, à ce jour (mars 2022), chacun des microcontrôleurs mentionnés dans cet article peut être acquis pour moins de 10 USD.
Que fait un microcontrôleur ?
Pensez à un microcontrôleur comme à un minuscule ordinateur qui effectue des tâches spécifiques, comme la lecture d'un capteur toutes les heures. Une fois programmés, le microcontrôleur et les capteurs qui lui sont connectés peuvent fonctionner indépendamment d'un ordinateur. L'utilité des microcontrôleurs va au-delà de l'enregistrement des données. Les microcontrôleurs peuvent effectuer des actions déclenchées par les relevés des capteurs. Vous pourriez allumer une source de chaleur si les températures baissent trop ou activer une électrovanne si les niveaux d'humidité du sol indiquent qu'il faut arroser un jardin ou un champ.
Utilisation de microcontrôleurs à ECHO
Mon intérêt pour les microcontrôleurs a commencé par un passe-temps consistant à élever des poissons et des coraux dans un aquarium d'eau salée. J'ai été "accroché" après avoir découvert que je pouvais utiliser un Arudino® Uno pour automatiser l'exposition à la lumière et l'ajout de composés (par exemple, du calcium) pour la croissance du corail. J'ai rapidement réalisé que ce que j'apprenais était pertinent pour les systèmes agricoles. Je ne me considère pas comme un électricien ou un programmeur informatique, mais vous trouverez ci-dessous certains des dispositifs que j'ai construits à ECHO grâce à mon apprentissage et à ma pratique indépendants. Ils vous donneront peut-être des idées pour vos propres applications.
Figure 2. Capteur de dioxyde de carbone. Source: Tim Motis
Capteur de dioxyde de carbone
Lorsque les êtres vivants respirent, ils libèrent du dioxyde de carbone. La libération de dioxyde de carbone par le sol sert d'indicateur global de l'activité microbienne du sol (Gyawali et al., 2019). Une recherche sur Internet concernant les capteurs de dioxyde de carbone donne lieu à une série d'options. J'utilise le capteur MH-Z14A, qui mesure jusqu'à 5000 parties par million (ppm) de dioxyde de carbone. La concentration de dioxyde de carbone dans l'air extérieur est d'un peu plus de 400 ppm. Avec la configuration présentée dans la figure 2, les relevés restent bien en dessous de la limite mesurable de 5000 ppm. Avant de prendre les mesures, nous tamisons le sol pour exclure la respiration des racines des plantes. Le taux de libération du dioxyde de carbone par le sol sera plus élevé pour un sol humide que pour un sol sec, c'est pourquoi nous prenons des mesures, par exemple en prélevant des échantillons de sol en même temps, pour nous assurer que tous les échantillons ont la même humidité.
- Elles alimentent les microcontrôleurs de 3,3 volts que j'utilise le plus fréquemment (Arduino Pro Mini et Wemos Lolin ESP32).
- Elles peuvent facilement être associées à des convertisseurs boost bon marché pour alimenter des microcontrôleurs de 5 volts ; pour trouver des options en ligne, utilisez une phrase de recherche comme "DC-DC 3.7v to 5v boost converter step up module".
- Elles sont rechargeables.
Compteur de lumière
Le compteur de la figure 3 mesure l'intensité lumineuse de quatre capteurs le long d'une barre d'environ 1 m de long. Alimenté par une batterie de 3,7 volts, 2 il affiche le lux moyen des quatre capteurs. Nous l'utilisons pour mesurer l'ombre des arbres ou des cultures de couverture. Dans chaque parcelle, nous prenons une mesure au-dessus (plein soleil) et en dessous du couvert végétal. A partir de ces relevés, nous calculons le pourcentage d'ombre. Le plein soleil peut dépasser 100 000 lux (Ferrante et Mariani, 2018). Les capteurs que j'ai utilisés ne lisent que jusqu'à 55 000 lux. Cela poserait un problème si je voulais connaître la valeur absolue (réelle) de la lumière du soleil qui frappe le capteur. Comme je veux seulement calculer le pourcentage d'ombre, j'ai placé les capteurs dans des bouteilles en verre de couleur sombre. Les bouteilles étant suffisamment sombres pour que les relevés soient inférieurs à 55 000 lux, les relevés de lux continuent d'augmenter avec l'ensoleillement, ce qui permet de calculer le pourcentage d'ombre même au moment le plus lumineux de la journée.
Figure 3. Luminomètre avec capteurs de lux dans des bouteilles en verre sombres pour mesurer le pourcentage d'ombre. Source: Tim Motis
Stations météorologiques
- Équilibrez les deux augets basculeurs afin que chacun d'eux bascule vers le bas avec le même volume d'eau. Pour ce faire, utilisez un tournevis pour ajuster la hauteur d'une vis située sous chaque seau.
- Déterminez le volume d'eau par basculement. Comme 1 millilitre (ml) est égal à 1 centimètre cube (cm), il est préférable de le faire en ml. Versez lentement 100 ml d'eau dans le pluviomètre et comptez les basculements. Faites-le trois ou quatre fois et calculez le nombre moyen de basculements par 100 ml d'eau. Disons que vous obtenez 25 basculements. 100 ml/basculement divisé par 25 basculements = 4 ml/basculement. 4 ml = 4 cm cubes.
- Calculez la surface de captage en cm. La surface d'un carré est la longueur multipliée par la largeur. Celle d'un cercle est pi (3,14) multiplié par le carré du rayon (la moitié du diamètre). Disons que votre zone de captage est de 100 cm carrés.
- Hauteur de pluie par basculement = volume du basculement en cm cubes, divisé par la surface du bassin versant en cm carrés. La hauteur de pluie par basculement est donc égale au nombre calculé à l'étape 2 divisé par celui calculé à l'étape 3. Dans ce cas, la hauteur de pluie par basculement = 4/100, 0,04 cm de pluie par basculement.
- Dans le code que vous utilisez pour programmer votre microcontrôleur, définissez 1 basculement comme 0,04 cm ou l'équivalent en mm ou en pouces.
Les précipitations sont essentielles à la vie des plantes et des animaux et constituent un paramètre météorologique important à mesurer dans toute ferme expérimentale. La façon la plus simple et la plus fiable de le faire est de mesurer la pluie recueillie dans un cylindre. 3 Il n'est cependant pas toujours possible de lire et de vider manuellement la jauge chaque jour. Il y a aussi le problème de la perte par évaporation entre les lectures, en particulier dans les climats chauds, qui peut fausser les valeurs. L'automatisation de la tâche de mesure des précipitations permet de résoudre ces problèmes et est généralement réalisée avec des pluviomètres à auget basculeur à vidage automatique.
Avec un pluviomètre à auget basculeur, l'eau est acheminée vers deux petits augets sur un axe horizontal. Lorsque le premier se remplit, le poids supplémentaire le fait basculer vers le bas, plaçant le second auget sous l'entonnoir. Cette action se répète lorsqu'il pleut. À chaque basculement, un aimant fixé à l'ensemble du seau se déplace sur un interrupteur à lames relié à une source d'alimentation et à un microcontrôleur. Vous pouvez programmer le microcontrôleur pour qu'il compte les impulsions électriques qui en résultent, puis calculer les précipitations en fonction du volume d'un auget basculeur et de la surface de votre collecteur de pluie.4
Les pluviomètres à auget basculeur ne sont généralement qu'un élément des stations météorologiques qui mesurent également d'autres paramètres tels que la température de l'air et l'humidité relative. 5 Si le coût d'achat d'une station météorologique n'est pas nécessairement prohibitif, il peut être difficile de la réparer en cas de dysfonctionnement d'un composant. En construisant la vôtre, vous pouvez la personnaliser grâce à des pièces remplaçables.
Figure 4. Stations météorologiques alimentées par énergie solaire avec des capteurs de pluie manufacturés (A et B) et faits maison (C) connectés à des microcontrôleurs. Source: Tim Motis
Figure 5. Diagramme des composants d'un pluviomètre à auget basculeur. Source: Renee Gill, adapté de https://www.instructables.com/Arduino-Weather-Station-Part3-Rain/
La première station météo que j'ai assemblée mesurait les précipitations à l'aide d'un capteur de pluie Misol WH-SP-RG (figure 4A), généralement vendu comme pièce de rechange pour les stations météo domestiques. La figure 4C montre une station météorologique que j'ai construite pour mon jardin avec un pluviomètre constitué d'un entonnoir métallique collé au sommet d'une boîte de conserve placée sur des seaux basculants fabriqués à partir d'une fine feuille de métal, comme décrit par Hampton (2016). Les stations météorologiques présentées dans la figure 4 sont alimentées par des batteries de 3,7 volts chargées par l'énergie solaire, enregistrent les données sur une carte microSD et les envoient sur Internet pour un suivi par téléphone mobile. Grâce au processus de test et de résolution des problèmes, j'ai constaté que les relevés manqués avec ces stations météorologiques sont généralement dus à l'alimentation (les batteries s'épuisent avec une énergie solaire inadéquate) ou à des problèmes mécaniques (débris tombant dans le pluviomètre et empêchant le mouvement de l'auget basculeur). Un pluviomètre manuel pourrait servir de pluviomètre de secours en cas de dysfonctionnement d'un pluviomètre à auget basculeur (figure 5).
Contrôleur de température et d'humidité de la banque de semences
Certaines de nos semences à ECHO en Floride sont conservées dans une pièce refroidie par un climatiseur de fenêtre relié à un contrôleur CoolBot. Nous avions besoin d'un moyen de surveiller la température pour nous assurer que le CoolBot fonctionne correctement. En utilisant certains des composants utilisés pour les stations météorologiques, j'ai pu fabriquer un moniteur de température et d'humidité (figure 1) qui envoie des données à une unité de réception dans un bâtiment adjacent où il y a une connexion Internet sans fil. Interfacé avec un site web appelé IFTTT (If This Then That), l'unité de réception envoie une alerte par courriel si la température dans la salle de stockage des semences dépasse 16°C.
Exemples de microcontrôleurs et de capteurs
Microcontrôleurs
Pour apprendre à utiliser les microcontrôleurs, beaucoup de gens commencent par l'Arduino Uno. Il offre de nombreuses fonctionnalités. Pour les applications sur le terrain fonctionnant sur batterie, je préfère utiliser les microcontrôleurs plus petits que sont Arduino Pro Mini ou Arduino Nano, qui consomment moins d'énergie que l'Uno. Le Pro Mini et le Nano sont les deux microcontrôleurs avec lesquels j'ai eu le plus de succès pour le suivi des précipitations.
Un autre microcontrôleur qui fonctionne bien sur le terrain est le Lolin ESP32. Il est optimisé pour être alimenté par des batteries lithium-ion de 3,7 volts. Je l'utilise pour enregistrer la température et l'humidité du sol. Comme pour les Pro Mini et Nano, vous pouvez prolonger la durée de vie des piles en programmant le microcontrôleur pour qu'il fonctionne en mode veille entre les relevés. Il est également doté des fonctions Bluetooth® et WiFi (Internet).
Le Lolin ESP32 est mieux optimisé pour une faible consommation que l'ESP8266, mais j'ai trouvé l'ESP8266 utile pour recevoir des données d'autres microcontrôleurs et les envoyer sur Internet.
Voici quelques facteurs à prendre en compte lors du choix d'un microcontrôleur pour votre projet:
- L'alimentation électrique nécessaire
- Options de faible puissance pour les applications alimentées par batterie.
- La nécessité ou non d'une fonctionnalité WiFi ou Bluetooth®.
- Compatibilité avec les capteurs que vous prévoyez d'utiliser ; la conception est plus facile si la tension de fonctionnement du capteur et du microcontrôleur est la même.
Tous les microcontrôleurs du tableau 2 sont disponibles sur des sites Web tels qu'AliExpress et Bangood, qui assurent des livraisons internationales. Lorsque vous achetez un microcontrôleur, faites attention à tous les autres articles dont vous pourriez avoir besoin. Il s'agit notamment du câble USB approprié et, dans le cas du Lolin 32, d'un connecteur pour connecter une batterie d'alimentation.
 |
Arduino Uno Tension de fonctionnement : 5 volts |
 |
Arduino Pro Mini Tension de fonctionnement : 3,3 volts REMARQUES : Les six broches à droite se connectent à ce qu'on appelle un adaptateur FTDI (composant rouge sur la photo du bas), qui se connecte à un ordinateur via USB (le câble nécessaire dépend du connecteur USB de l'adaptateur FTDI que vous achetez). |
 |
Il existe également une version 16 mégahertz qui fonctionne à 5 volts. Un microcontrôleur similaire appelé Arduino Nano (figure 1) fonctionne également à 5 volts et ne nécessite pas l'adaptateur FTDI. |
 |
Lolin ESP32 Tension de fonctionnement : 3,3 volts REMARQUES : Pour alimenter avec une batterie lithium-ion de 3,7 volts, vous avez besoin d'un connecteur PH-2, 2.0 mm, généralement vendu en packs. La photo à gauche montre un connecteur avec des fils rouges et noirs. |
 |
ESP8266 (Nodemcu 12-E) Tension de fonctionnement : 3,3 volts REMARQUE : Fonctionne très bien pour recevoir des données et les transmettre à un serveur web. |
| 1Les coûts mentionnés dans ce tableau, obtenus en 2022, pourraient changer au fil du temps. Ils ne prennent pas en compte les frais d'expédition, qui peuvent varier selon les pays. En passant commande sur des sites Web tels qu'Amazon, vous pouvez recevoir des articles plus rapidement, mais les coûts seront plus élevés. | |
Capteurs
Que voulez-vous mesurer ? Jusqu'à présent dans cet article, j'ai mentionné les précipitations, la température, la moiteur, l'humidité du sol et la lumière. Il existe probablement un capteur pour n'importe quel paramètre agricole ! Vous trouverez ci-dessous de brèves descriptions et des suggestions de capteurs que je connais bien.
Température et humidité
De nombreux capteurs mesurent à la fois la température et l'humidité. L'un des plus simples est le capteur DHT22 (tableau 3A), disponible sous forme d'un module qui possède déjà la résistance requise. Il fonctionne bien pour mesurer la température et l'humidité dans une pièce ou un récipient de stockage de semences. Lorsqu'il est placé à l'extérieur, le capteur d'humidité a tendance à rester à 99,9 % pendant les premières heures du matin, un problème causé par la condensation sur le capteur. Pour une station météo extérieure, je préfère un capteur Sensirion SHT3X (par exemple SHT31) dans un boîtier en plastique ou en céramique. Vous pouvez les trouver sur AliExpress pour 11 USD. Protégez le capteur du soleil, tout en maintenant une circulation d'air autour du capteur, pour éviter de surestimer la température (Tarara et Hoheisel, 2007) ; vous pouvez fabriquer votre propre bouclier anti-radiation avec de petites assiettes ou des bols (Jakub_Nagy, 2017).
La température du sol peut être surveillée avec la version étanche du capteur DS18B20 (tableau 3B). Je les enfouis dans le sol tels quels, mais l'étanchéité pourrait être optimisée davantage en les insérant dans un tuyau en PVC enfoncé dans le sol.
Niveau de précipitations
Pour fabriquer votre propre pluviomètre, vous avez besoin d'un interrupteur à lames, d'un petit aimant et d'un auget basculeur. Recherchez ce que l'on appelle un interrupteur reed normalement ouvert. Un paquet de 10 interrupteurs coûte moins de 1 USD sur AliExpress. Les aimants peuvent être aussi petits que 2 mm de large et coûtent moins de 3 USD sur AliExpress. L'assemblage de l'auget basculeur nécessite un peu de créativité artisanale. Vous pouvez utiliser des matériaux locaux pour fabriquer les augets basculeurs et un support pour maintenir les augets et l'interrupteur à lames en place. Une approche plus simple serait d'acheter un capteur de pluie ou d'utiliser celui d'une vieille station météorologique. Tout capteur de pluie à auget basculeur fonctionnera si vous pouvez accéder aux deux fils reliés à l'interrupteur à lames.
Humidité du sol
La surveillance de l'humidité du sol vous aide à évaluer l'impact des précipitations ou de l'irrigation. Vous devrez probablement enfouir un capteur d'humidité du sol à une profondeur où se trouvent la plupart des racines nourricières de votre culture. Les données du capteur indiqueront si l'eau provenant d'une pluie ou d'une irrigation est suffisante pour mouiller le sol à cette profondeur. Il existe des capteurs basés sur la résistance et la capacité. 6 Pour éviter la corrosion, utilisez un capteur capacitif comme celui présenté dans le tableau 3C.
Lumière
Le tableau 3C présente un capteur de lumière qui mesure la lumière visible dans une unité appelée lux. Toute la lumière visible ne peut pas être utilisée par les plantes pour la photosynthèse ; cependant, une mesure en lux fournit un indicateur de l'intensité lumineuse au moment où elle est prise. Les mesures en lux peuvent être utilisées pour évaluer l'efficacité des cultures de couverture pour faire de l'ombre au sol. Les jeunes plants dans les serres et les pépinières ont souvent besoin d'être protégés du plein soleil ; les mesures en lux peuvent être utiles pour estimer la quantité d'ombre sous les toiles d'ombrage ou les structures qui fournissent de l'ombre.
| A |  |
Capteur de température/humidité DHT22 REMARQUE : Pour éviter d'avoir à acheter et à connecter une résistance nécessaire, achetez le capteur sous forme de module (photo de gauche); le module aura déjà la résistance jointe. |
| B |  |
Sonde de température étanche DS18B20 REMARQUE : Le capteur nécessite une résistance de 4,7 kilo ohms ; il peut être acheté avec un module qui comprend la résistance, ce qui évite d'avoir à acheter une résistance externe. |
| C |  |
Capteur d'humidité du sol REMARQUE : Protégez l'électronique en haut du capteur de l'eau/de la pluie. Je place ces capteurs dans de courtes sections de tuyaux en PVC. |
| D |  |
Capteur de lumière (lux) MAX44009 |
| 1Les coûts mentionnés dans ce tableau, obtenus en 2022, pourraient changer au fil du temps. Ils ne prennent pas en compte les frais d'expédition, qui peuvent varier selon les pays. En passant commande sur des sites Web tels qu'Amazon, vous pouvez recevoir des articles plus rapidement, mais les coûts seront plus élevés. | ||
Matériel de soutien
D'autres composants sont nécessaires pour permettre à un microcontrôleur d'exécuter les fonctions souhaitées. Dans une zone éloignée, sans signal téléphonique ou de WiFi, vous pouvez enregistrer les relevés (par exemple, la température) sur une carte SD, puis transférer périodiquement les données vers un téléphone ou un ordinateur. Pour suivre les conditions de culture dans le temps, vous devrez connaître la date et l'heure de chaque relevé. Le stockage de données horodatées sur une carte SD peut être facilement réalisé en connectant des modules microSD (Tableau 4A) et horloge (Tableau 4B) à votre microcontrôleur. Les relevés peuvent également être affichés sur un petit écran (Tableau 4C).
L'accès immédiat et à distance aux relevés mesurés sur le terrain facilite la prise de décisions urgentes. Pour surveiller les conditions en temps réel, je préfère les émetteurs-récepteurs radio LoRa (longue portée) (tableau 4D) pour une communication à faible puissance. Un émetteur-récepteur peut transmettre ou recevoir des données, ce qui vous permet d'envoyer des données d'un microcontrôleur à un autre. Pour ce faire, vous avez besoin d'un émetteur-récepteur LoRa sur chaque microcontrôleur. Les données entrantes provenant du terrain peuvent être visualisées sur un écran d'affichage et/ou mises en ligne. Thingspeak et Adafrut IO sont des plateformes web qui vous permettent de visualiser sur votre téléphone ou votre ordinateur des graphiques mis à jour en permanence à partir des relevés effectués sur le terrain. La capacité de leurs comptes gratuits est suffisante pour la plupart des applications.
Fournir la bonne tension à un microcontrôleur nécessite d'autres composants. Les microcontrôleurs mentionnés dans cet article peuvent être alimentés par 5 volts ; ceux qui fonctionnent à 3,3 volts ont des régulateurs de puissance internes qui convertissent 5 volts en 3,3 volts, tant que le régulateur n'est pas contourné. Un moyen facile d'alimenter un microcontrôleur en 5 volts est de le connecter avec un câble USB à une prise murale de 5 volts utilisée pour charger les téléphones portables. L'alimentation par batterie fonctionne mieux pour les dispositifs extérieurs. Le tableau 4E présente un contrôleur de charge utile pour intégrer des batteries rechargeables à l'énergie solaire. Si elle n'est pas déjà intégrée à votre panneau solaire, utilisez une diode (un composant électrique qui permet à l'électricité de circuler dans un seul sens) pour empêcher l'alimentation de la batterie de circuler vers le panneau solaire pendant la nuit. Utilisez un élévateur de tension si la tension de votre alimentation est inférieure à celle dont votre microcontrôleur a besoin.
| A |  |
Module d'extension de carte Micro SD REMARQUE : Si votre microcontrôleur fonctionne à 5 volts, utilisez un module de carte micro SD qui accepte 5 volts. |
| B |  |
Horloge temps réel (DS3231) REMARQUE : Alimentez l'horloge avec une pile CR2032 ou LIR2032 afin que l'heure soit conservée même si le microcontrôleur n'est plus alimenté. |
| C |  |
Module d'affichage OLED REMARQUE : Ils existent en différentes tailles, notamment 128 X 64 (photo de gauche) et 128 X 32 pixels. |
| D |  |
Émetteur-récepteur RFM95 LoRa REMARQUE : Des fournisseurs comme Adafruit proposent l’émetteur-receveur sous forme de module plus facile à utiliser et compatible avec les systèmes 3,3 et 5 volts. |
| E |  |
Chargeur de piles au lithium TP4056 REMARQUE : fonctionne bien pour charger des batteries rechargeables au lithium de 3,7 volts (par exemple, une batterie 18650) avec des panneaux solaires de 6 volts. ATTENTION : Le TP4056 a une protection intégrée contre la surcharge. Néanmoins, prenez le temps d'apprendre à utiliser les piles en toute sécurité. |
| 1Les coûts mentionnés dans ce tableau, obtenus en 2022, pourraient changer au fil du temps. Ils ne prennent pas en compte les frais d'expédition, qui peuvent varier selon les pays. En passant commande sur des sites Web tels qu'Amazon, vous pouvez recevoir des articles plus rapidement, mais les coûts seront plus élevés. | ||
Conseils pour débuter
Programmation
La plupart des microcontrôleurs sont équipés d'un port USB. Comme nous l'avons mentionné précédemment, achetez le bon câble USB pour votre microcontrôleur ; le tableau 2 indique le connecteur USB correct pour les microcontrôleurs correspondants. Connectez une extrémité du câble à un port USB de votre ordinateur et l'autre extrémité au connecteur USB de votre microcontrôleur.
J'utilise le logiciel Arduino IDE pour programmer mes microcontrôleurs. Il est gratuit et disponible pour les systèmes d'exploitation informatiques Windows, macOS et Linux. Les programmes développés dans le logiciel Arduino sont appelés sketches. Ils sont écrits dans le langage de programmation Arduino (basé sur le C++), puis téléchargés sur votre microcontrôleur. Heureusement, il n'est pas nécessaire d'être un programmeur chevronné pour créer des croquis pour vos projets. Pour tout ce que j'ai construit jusqu'à présent, j'ai trouvé de multiples tutoriels et exemples qui non seulement expliquent comment connecter des capteurs à des microcontrôleurs, mais fournissent également des croquis avec une explication du fonctionnement du code de programmation. Rendez-vous sur la page " Getting Started " du site Web d'Arduino pour apprendre comment télécharger le logiciel et commencer à programmer.
Mon conseil est de commencer petit. De nombreuses personnes commencent par apprendre à faire clignoter une petite lumière LED ; les kits de démarrage Arduino sont souvent fournis avec des LED, des fils de connexion et d'autres petites pièces. Faites fonctionner un seul capteur ou une seule fonction à la fois. Conservez les croquis que vous avez réussis pour une utilisation ultérieure. Les petites victoires vous permettront de développer un code qui vous sera utile pour vos projets ultérieurs.
Figure 6. Planche à pain sans soudure (base en plastique blanc) et fils de liaison (fils de couleur). Source: Tim Motis
Prototypage
Assurez-vous que votre projet fonctionne avant d'essayer de construire quelque chose de permanent. Il existe des kits de démarrage pour les débutants. Recherchez-en un qui contient quelques planches d'essai sans soudure et des jeux de fils de liaison préfabriqués (figure 6). Une planche d'essai sans soudure est un composant en plastique comportant des rangées et des colonnes de trous, marqués par des lettres et des chiffres, dans lesquels vous pouvez insérer des broches et des fils. Aucune soudure n'est nécessaire. 7 Les broches et les fils sont maintenus en place par des bandes métalliques à l'intérieur de la plaque d'essai qui relient les rangées et les colonnes de trous.
Les fils de liaison sont des fils électriques servant à connecter des composants sur une planche d'essai. Vous pouvez fabriquer vos propres fils de liaison à l'aide de fils électriques non torsadés de calibre 22 AWG (AWG est une unité normalisée pour l'épaisseur des fils) et d'une pince à dénuder pour retirer la gaine en plastique autour des extrémités de chaque fil. Les fils de liaison préfabriqués sont toutefois plus faciles à utiliser pour câbler et tester rapidement un circuit de planche d'essai. Ils sont disponibles en différentes longueurs avec des connecteurs mâles et/ou femelles aux extrémités.
Fabrication
Figure 7. Carte Perma-proto avant (A) et après avoir soudé les têtes de broches et les fils (B), et branché un ESP32 Lolin et un module de carte MicroSD dans les têtes de broches femelles (C). Les composants verts sont des bornes à vis pour connecter les capteurs au microcontrôleur. Source: Tim Motis
Les bandes métalliques à l'intérieur des planches à pain sans soudure fonctionnent bien pour tester les circuits, mais les fils peuvent facilement se détacher. Pour une plus grande permanence, transférez votre circuit sur une carte de perma-proto (figure 7A), une version métallique d'une carte d'essai sans soudure avec la même disposition de trous. Pour ce faire, soudez les têtes de broches, les fils et tout autre composant supplémentaire sur la carte (figure 7B). 8 Une fois la broche appropriée soudée à la carte (femelle) et au microcontrôleur (mâle), placez le microcontrôleur sur la carte comme indiqué sur la Figure 7C. Avec cette approche, vous pouvez facilement retirer le microcontrôleur de la carte pour le remplacer ou le reprogrammer si nécessaire. Il en va de même pour les modules de support.
Figure 8. Un fer à souder et de la soudure (A) et un outil pour couper les fils (B). Source: Tim Motis
La soudure, comme toute autre chose, demande un peu de pratique mais n'est pas difficile à apprendre. J'utilise du ruban adhésif pour maintenir les composants en place pendant la soudure. Vous aurez besoin d'un fer à souder et d'un peu de cordon de soudure (Figure 8A). Recherchez un fer à souder avec des pointes remplaçables et, de préférence, une température réglable. Coupez l'excédent de fil à l'aide d'un outil de coupe comme celui illustré à la figure 8B.
Lorsque vous êtes prêt, vous devrez installer votre projet à son emplacement permanent. Protégez l'électronique du soleil, de la chaleur et de l'eau. La protection contre ces éléments est particulièrement importante sous les tropiques. J'ai constaté que les microcontrôleurs placés dans des récipients en plastique exposés au soleil commencent à mal fonctionner car le flux (matériau utilisé dans la soudure pour améliorer la connectivité) de la soudure se répand dans les connexions. Pour cette raison, je préfère placer les composants dans de simples boîtes en bois. Le bois bloque le transfert de chaleur mais doit être protégé de la pluie. Pour recouvrir une boîte en bois, vous pouvez utiliser du papier d'aluminium ou des morceaux d'étain. Tous les trous pour les fils allant vers des capteurs extérieurs doivent être percés dans le fond de la boîte si possible, pour permettre à l'eau qui s'infiltre dans la boîte de s'écouler.
Figure 9. Un accessoire de pompe à air courant associé à un bouchon de pneu (A) pour faire un passage solide pour les fils sortant d'un récipient en plastique (B). De la colle silicone ou du mastic peuvent être ajoutés pour le rendre étanche. Percez un trou dans le bouchon du pneu et coupez l'extrémité de l'accessoire de pompe à air pour qu'elle corresponde au diamètre du fil. Source: Tim Motis
En plus de la chaleur et de la pluie, protégez les appareils électroniques contre les insectes et les rongeurs. Les fourmis ne sont pas immédiatement destructrices, mais elles finiront par causer des problèmes. Si les appâts à fourmis sont inefficaces, vous pouvez mettre votre projet de microcontrôleur dans un récipient hermétique, comme un tuyau en PVC bouché ou un Tupperware®, puis placer le tout dans une boîte en bois ou l'enterrer sous terre. La figure 9 illustre un exemple de récipient étanche à l'air avec un accessoire de pompe à air et un bouchon de valve de pneu pour faire une connexion étanche pour les fils.
Dans certains cas, il est judicieux d'utiliser des tuyaux en PVC de petit diamètre comme conduit. Les tuyaux d'alimentation des systèmes d'irrigation goutte à goutte font également l'affaire. Si vos fils sont trop longs pour passer dans le tube, essayez ceci :
- Trouvez une longueur de fil non torsadé suffisamment épaisse et rigide pour être insérée dans le tube d'irrigation goutte à goutte.
- Soudez une extrémité de votre fil de capteur à une extrémité de votre fil à pousser (épais) (Figure 10A).
- Insérez l'autre extrémité (non soudée) de votre fil à pousser dans une extrémité du tube et poussez-le dans le tube jusqu'à ce que l'extrémité non soudée ressorte à l'autre extrémité du tube.
- Saisissez l'extrémité non soudée du fil à pousser et tirez-la avec le fil du capteur à travers le tube (figure 10B).
- Une fois le fil du capteur sorti, séparez le fil à pousser du fil du capteur
Figure 10. Fil du capteur (A ; haut) soudé à une extrémité du fil non toronné (A ; bas) utilisé pour tirer le fil du capteur à travers un tube d'alimentation d'irrigation goutte à goutte de ¼ pouce de diamètre (B). Source: Tim Motis
Conclusion
Les microcontrôleurs offrent un moyen abordable de surveiller les facteurs environnementaux qui influencent la vie végétale et animale. Choisissez des capteurs dont les spécifications et le niveau de précision conviennent à votre application. Avec des microcontrôleurs peu coûteux, vous pouvez à la fois surveiller et même contrôler les facteurs environnementaux. Le contrôle de facteurs tels que l'humidité du sol et les conditions dans les petits espaces est réalisé en utilisant les valeurs détectées pour activer et désactiver les mesures d'intervention (par exemple, les vannes d'irrigation, les ventilateurs et les sources de chaleur). Il est donc possible d'automatiser certaines tâches. Des connaissances en électronique et en informatique sont utiles, mais il n'est pas nécessaire d'être électricien ou programmeur informatique pour construire des dispositifs utiles. Au fil du temps, la disponibilité des capteurs et des exemples de projets de microcontrôleurs utiles augmentera probablement, ce qui donnera lieu à davantage d'options. Les sections Références et Lectures complémentaires ci-dessous vous orienteront vers des informations complémentaires sur ce sujet.
Références
AlphaRomeo. 2011. Make a Rain Gauge [Fabriquer un pluviomètre]. https://www.instructables.com/Make-a-Rain-Gauge/
Bagur, J. 2022. The Arduino Guide to Soldering [Le guide Arduino sur la soudure]. https://docs.arduino.cc/learn/electronics/soldering-basics
Ferrante, A. et L. Mariani. 2018. Agronomic management for enhancing plant tolerance to abiotic stresses: high and low values of temperature, light intensity, and relative humidity [Gestion agronomique pour améliorer la tolérance des plantes aux stress abiotiques : valeurs élevées et basses de la température, de l'intensité lumineuse et de l'humidité relative]. Horticulturae 2018, 4(3) https://doi.org/10.3390/horticulturae4030021.
Gyawali, A.J., B.J. Lester, et R.D. Stewart. 2019. Talking SMAAC: A new tool to measure soil respiration and microbial activity [un nouvel outil pour mesurer la respiration et l'activité microbienne du sol]. Frontiers in Earth Science 7:138 doi: 10.3389/feart.2019.00138
Hampton, C.R. 2016. Build a Wireless “Tipping Bucket” Rain Gauge, Part 1 – Assembling the Bucket [Construire un pluviomètre sans fil à "auget basculeur", 1ère partie - Assemblage de l’auget]. Tout sur les circuits.
Hannan, J. Personal weather station for specialty crop management. Iowa State University Extension and Outreach [Station météorologique personnelle pour la gestion des cultures spécialisées]. https://www.extension.iastate.edu/smallfarms/personal-weather-station-specialty-crop-management
Jakub_Nagy. 2017. DS18B20 Radiation shield [Protection contre les radiations]. https://www.instructables.com/DS18B20-Radiation-Shield/
Tarara, J.M. et G. Hoheisel. 2007. Low-cost shielding to minimize radiation errors of temperature sensors in the field [Une protection à prix abordable pour minimiser les erreurs de radiation des capteurs de température sur le terrain]. HortScience horts 42, 6:1372-1379. https://doi.org/10.21273/HORTSCI.42.6.1372.
Lectures supplémentaires
Fournisseurs qui proposent des tutoriels sur les microcontrôleurs et les capteurs
Stations météo
Une vidéo avec des informations sur le fonctionnement des pluviomètres à auget basculeur et sur la façon d'améliorer la précision en interfaçant un interrupteur à lames avec ce qu'on appelle un déclencheur de Schmitt : https://www.youtube.com/watch?v=KHrTqdmYoAk&t=872s
Station météo qui enregistre la température et les précipitations https://github.com/DesiQuintans/sneesl-rain-logger (dans le dossier Firmware, cliquez sur le premier fichier [01_Datalogger] pour obtenir un code qui fonctionne bien avec les microcontrôleurs Arduino Nano et Pro Mini).
Exemple de code pour les projets de microcontrôleurs de ECHO : https://github.com/ECHOInternational/Microcontrollers
Détection de l'humidité du sol avec des capteurs d'humidité du sol capacitifs : Hrisko, J. 2020. Calibrage des capteurs capacitifs d'humidité du sol avec Arduino. Maker Portal. https://makersportal.com/blog/2020/5/26/capacitive-soil-moisture-calibration-with-arduino