visualisez ici l’environnement de la serre expérimentale

Présentation du projet #

La serre expérimentale a pour objectif d’associer une culture hydroponique en circuit fermé à une gestion automatisée de l’eau, des nutriments et des conditions climatiques.

Le projet repose sur plusieurs principes complémentaires :

• utiliser l’eau de pluie comme ressource principale lorsque les conditions le permettent ;
• récupérer l’eau sur le toit de la serre et sur le haut du conteneur voisin ;
• faire circuler une solution nutritive dans plusieurs goulottes de culture ;
• mesurer en permanence les paramètres importants de l’installation ;
• transmettre les mesures par LoRaWAN ;
• centraliser les données sur le VPS de la MJC La Citrouille ;
• commander à distance certains équipements ;
• conserver parallèlement une intelligence locale capable de protéger les cultures même en cas de panne d’Internet, du serveur ou du réseau LoRaWAN.

L’automatisation ne doit donc pas être conçue uniquement comme un système connecté. Elle doit fonctionner suivant deux niveaux.

Le niveau local assure les fonctions vitales de la serre.

Le niveau serveur assure la supervision, l’historisation, l’analyse, l’optimisation et les fonctions avancées.

Cette séparation constitue un élément fondamental de la fiabilité de l’installation.

Principe de l’hydroponie #

Une culture sans terre #

L’hydroponie consiste à cultiver les plantes sans utiliser directement le sol comme source de nutriments.

Les racines reçoivent une solution composée d’eau et de sels minéraux dissous contenant notamment les éléments nécessaires à la croissance :

• azote ;
• phosphore ;
• potassium ;
• calcium ;
• magnésium ;
• soufre ;
• oligo-éléments.

La terre n’est donc plus le réservoir nutritif de la plante. C’est l’eau circulant dans l’installation qui assure cette fonction.

Cette technique permet de contrôler beaucoup plus précisément l’alimentation des plantes, mais elle impose en contrepartie une surveillance attentive de la solution nutritive.

Culture en circuit fermé #

Dans la serre expérimentale, le principe retenu est celui d’un circuit hydroponique fermé.

La solution nutritive est contenue dans une cuve principale.

Une pompe prélève cette solution et l’envoie dans les goulottes de culture.

L’eau circule ensuite au niveau des racines avant de retourner dans la cuve.

Le cycle est donc :

cuve nutritive → pompe → goulottes → racines → retour gravitaire → cuve nutritive

L’eau n’est pas consommée à chaque passage. Elle est réutilisée de nombreuses fois.

Les pertes correspondent principalement :

• à l’eau absorbée par les plantes ;
• à la transpiration végétale ;
• à l’évaporation ;
• aux opérations de nettoyage ;
• aux éventuelles purges partielles de la solution.

Cette caractéristique rend l’hydroponie particulièrement intéressante lorsque l’on souhaite utiliser rationnellement l’eau de pluie.

Organisation hydraulique de la serre #

La cuve de récupération d’eau de pluie #

Une première cuve peut être réservée au stockage de l’eau provenant des toitures.

Cette eau n’est pas nécessairement envoyée directement vers les plantes.

Elle constitue une réserve d’eau brute utilisée pour compenser progressivement le niveau de la cuve nutritive.

Cette séparation présente plusieurs avantages :

• stockage d’une quantité importante d’eau de pluie ;
• possibilité de filtrer l’eau avant utilisation ;
• maîtrise de la dilution de la solution nutritive ;
• protection contre une arrivée massive d’eau lors d’un orage ;
• indépendance entre la récupération de pluie et le circuit hydroponique.

L’eau de pluie peut ainsi être considérée comme une matière première alimentant le système hydroponique.

La cuve nutritive #

La cuve nutritive constitue le cœur hydraulique de l’installation.

Elle contient l’eau réellement utilisée pour irriguer les plantes.

Elle doit disposer au minimum :

• d’une pompe de circulation ;
• d’un capteur de niveau ;
• d’un niveau minimum de sécurité ;
• d’un niveau maximum ;
• d’une mesure de conductivité électrique ;
• d’une mesure de température de l’eau.

Une mesure du pH est également particulièrement intéressante pour une installation hydroponique expérimentale.

La cuve peut aussi recevoir :

• un système d’aération ;
• une sonde d’oxygène dissous dans une version plus évoluée ;
• une sonde de niveau indépendante réservée uniquement à la sécurité.

Les quatre goulottes hydroponiques #

La culture peut être organisée autour de quatre goulottes parallèles.

La pompe principale distribue la solution vers les différentes goulottes par l’intermédiaire d’un collecteur.

Chaque départ peut être équipé :

• d’une vanne manuelle d’équilibrage ;
• ou d’une électrovanne si l’on souhaite commander les lignes individuellement.

La solution s’écoule ensuite dans les goulottes grâce à une légère pente.

Le retour vers la cuve nutritive s’effectue naturellement par gravité.

La pente doit être suffisante pour éviter les zones d’eau stagnante sans pour autant provoquer un écoulement trop rapide.

Le débit ne dépend donc pas seulement de la pente. Il dépend également :

• du débit de la pompe ;
• de la section des tuyaux ;
• du diamètre des arrivées ;
• du réglage des vannes ;
• de la hauteur disponible ;
• de la pente des goulottes.

L’objectif est d’obtenir un film d’eau nutritive régulier au niveau des racines.

La circulation de l’eau #

Fonctionnement normal #

Dans le fonctionnement normal, la pompe principale alimente simultanément les différentes lignes de culture.

La solution arrive en partie haute des goulottes puis descend progressivement.

À leur extrémité, les goulottes sont reliées à une canalisation de retour vers la cuve nutritive.

Le système doit autant que possible privilégier les écoulements gravitaires pour le retour de l’eau.

Cela réduit :

• le nombre de pompes ;
• la consommation électrique ;
• le nombre d’éléments susceptibles de tomber en panne.

La circulation doit-elle être permanente ? #

Une circulation permanente n’est pas toujours indispensable.

Suivant le type de culture et le système hydroponique retenu, la pompe peut fonctionner :

• continuellement ;
• par cycles ;
• avec une réduction du débit pendant certaines périodes.

Pour un système de type NFT, une circulation régulière est néanmoins importante car les racines disposent de relativement peu de réserve d’eau lorsque la pompe s’arrête.

Une panne prolongée de circulation, particulièrement pendant une journée chaude, peut donc rapidement devenir critique.

Pour cette raison, la surveillance de la pompe et de la présence réelle d’un débit d’eau est plus importante que la simple surveillance de son alimentation électrique.

Un petit débitmètre ou un détecteur de circulation peut confirmer que l’eau se déplace réellement.

Ainsi, une pompe alimentée électriquement mais bloquée mécaniquement sera malgré tout identifiée comme défaillante.

Récupération de l’eau de pluie #

Les surfaces disponibles #

Deux surfaces principales sont disponibles :

toiture de la serre : environ 6 m²

toiture supérieure du conteneur : environ 6 m²

La surface totale exploitable atteint donc approximativement :

12 m²

Ces deux surfaces peuvent disposer de leurs propres gouttières avant de rejoindre une conduite commune ou la cuve d’eau de pluie.

Quantité d’eau récupérable #

La relation est particulièrement simple :

1 mm de pluie sur 1 m² correspond à 1 litre d’eau.

Ainsi, avec 12 m² de toiture :

1 mm de pluie = 12 litres d’eau théoriquement récupérables.

Quelques exemples :

Pluie	Volume théorique sur 12 m²
1 mm	12 L
5 mm	60 L
10 mm	120 L
20 mm	240 L
30 mm	360 L
50 mm	600 L

Dans la réalité, une partie de l’eau est perdue en raison :

• des premières gouttes mouillant les surfaces ;
• des gouttières ;
• des projections ;
• des filtres ;
• des éventuels systèmes de rejet des premières eaux.

Un rendement de récupération de l’ordre de 80 à 90 % constitue une hypothèse raisonnable pour dimensionner l’installation.

Avec un rendement de 85 %, une pluie de 20 mm fournirait approximativement :

20 × 12 × 0,85 = 204 litres.

Les deux surfaces réunies constituent donc une ressource significative pour un petit système hydroponique.

Gestion des fortes pluies #

Une cuve de récupération de 1 000 litres peut cependant se remplir rapidement lorsque plusieurs épisodes pluvieux importants se succèdent.

Elle doit donc comporter :

• une arrivée filtrée ;
• un trop-plein de gros diamètre ;
• une évacuation vers un endroit ne présentant aucun risque pour la serre ou le conteneur ;
• éventuellement une liaison vers une seconde cuve.

Une seconde cuve peut être ajoutée ultérieurement si l’expérience montre que la première atteint régulièrement son niveau maximum.

Qualité de l’eau récupérée #

Filtration #

L’eau provenant des toitures ne doit pas arriver directement dans les petits tuyaux du circuit hydroponique.

Une filtration en plusieurs étapes est préférable.

Une première grille arrête :

• feuilles ;
• brindilles ;
• insectes ;
• gros débris.

Un filtre plus fin peut ensuite retenir les particules restantes.

Un dispositif de rejet des premières eaux de pluie peut également être envisagé. Les premières minutes d’un épisode pluvieux entraînent généralement une proportion plus importante de poussières et de dépôts accumulés sur les toitures.

Eau de pluie et solution nutritive #

L’eau de pluie présente généralement une faible minéralisation.

Cela constitue un avantage pour l’hydroponie car la composition de la solution finale peut être largement déterminée par l’apport contrôlé d’engrais hydroponiques.

Il ne faut cependant pas considérer que l’eau de pluie possède automatiquement les caractéristiques nécessaires aux plantes.

Une fois introduite dans la cuve nutritive, il faut surveiller notamment :

• la conductivité ;
• le pH ;
• la température ;
• la quantité d’eau disponible.

Surveillance de la concentration nutritive par conductivité #

Principe de l’électroconductivité #

La conductivité électrique, généralement appelée EC, permet d’estimer la quantité d’ions dissous dans l’eau.

Plus la concentration de sels nutritifs augmente, plus la conductivité de la solution augmente.

La mesure est couramment exprimée en :

mS/cm

La valeur souhaitée dépend fortement :

• de l’espèce cultivée ;
• de son stade de développement ;
• de la température ;
• de la qualité de l’eau d’origine.

Le système ne doit donc pas utiliser une valeur unique pour toutes les cultures.

Il est préférable que les consignes soient configurables dans le système de supervision.

Régulation #

Le principe de régulation peut être le suivant.

Si le niveau de la cuve diminue, le système ajoute progressivement de l’eau de pluie.

Après homogénéisation de la solution, une nouvelle mesure EC est réalisée.

Si la conductivité devient trop faible, une quantité déterminée de solution nutritive concentrée peut être ajoutée.

La séquence devient alors :

mesure → ajout d’eau → brassage → mesure EC → correction nutritive → brassage → nouvelle mesure

Cette méthode est préférable à une injection simultanée non contrôlée d’eau et de nutriments.

Les corrections doivent être réalisées par petites quantités afin d’éviter les dépassements.

Capteurs de la serre #

Capteurs hydrauliques #

Le système pourra notamment surveiller :

• niveau de la cuve d’eau de pluie ;
• niveau de la cuve nutritive ;
• niveau minimum de sécurité ;
• température de la solution ;
• débit de la pompe ;
• présence d’eau dans les retours des goulottes ;
• détection éventuelle d’eau au sol.

Pour les fonctions critiques, certaines mesures doivent être doublées.

Une sonde électronique de niveau peut par exemple assurer la mesure normale tandis qu’un simple flotteur indépendant assure la sécurité niveau bas ou niveau haut.

Capteurs de la solution nutritive #

Les principaux paramètres sont :

• EC ;
• température ;
• pH.

La température est importante car elle influence à la fois les plantes, l’oxygénation de l’eau et la mesure de conductivité.

La sonde EC devra donc idéalement bénéficier d’une compensation en température.

Capteurs climatiques #

La serre peut également disposer de capteurs mesurant :

• température intérieure ;
• hygrométrie ;
• température extérieure ;
• éventuellement luminosité ;
• température à proximité des plantes.

Ces informations permettent notamment de commander automatiquement le soupirail.

Les actionneurs #

Pompe de circulation #

La pompe principale constitue l’un des équipements les plus importants du système.

Sa commande peut être réalisée par :

• relais ;
• contacteur ;
• module MOSFET suivant la nature de la pompe.

Une détection de débit doit autant que possible confirmer son fonctionnement.

Électrovannes #

Les électrovannes peuvent servir à :

• autoriser l’arrivée d’eau de pluie dans la cuve nutritive ;
• isoler une ligne de culture ;
• contrôler un remplissage ;
• sélectionner une cuve ;
• réaliser certaines opérations de purge.

Pour les fonctions de sécurité, leur état en absence d’alimentation doit être choisi avec soin.

Dans de nombreux cas, une électrovanne normalement fermée est préférable : une panne électrique arrête alors automatiquement l’arrivée d’eau.

Dosage des nutriments #

Le dosage peut être réalisé au moyen de petites pompes doseuses.

Dans une version évoluée, plusieurs réservoirs peuvent contenir séparément les composants nutritifs afin d’éviter certains problèmes de précipitation lorsqu’ils sont stockés sous forme concentrée.

Le logiciel autorise uniquement de petites injections successives avec une période de mélange entre deux corrections.

Vérin du soupirail #

Un vérin électrique peut commander l’ouverture du soupirail de la serre.

Son fonctionnement peut dépendre :

• de la température intérieure ;
• de l’humidité ;
• de la température extérieure ;
• éventuellement de la pluie et du vent.

Des fins de course doivent empêcher les déplacements mécaniques excessifs.

Le système doit également connaître ou pouvoir retrouver une position sûre lorsque la communication avec le serveur est perdue.

Communication LoRaWAN #

Pourquoi utiliser LoRaWAN ? #

La technologie LoRaWAN est bien adaptée aux capteurs répartis autour de la serre.

Elle présente plusieurs avantages :

• grande portée ;
• faible consommation ;
• bonne pénétration radio ;
• faible quantité de câblage ;
• possibilité d’utiliser des modules sur batterie ;
• centralisation de nombreux capteurs par une seule passerelle.

Les équipements de terrain transmettent leurs informations par radio LoRaWAN à une passerelle.

La passerelle ne réalise normalement pas elle-même l’analyse des données. Elle transporte les trames radio vers le serveur LoRaWAN.

Une architecture LoRaWAN utilise typiquement des objets communicants, une ou plusieurs passerelles et un serveur réseau central relié aux passerelles par IP.

Passerelle LoRaWAN de la serre #

Passerelle HT-M01S #

La passerelle Heltec HT-M01S prévue pour le projet peut recevoir les transmissions des différents modules LoRaWAN.

Elle dispose d’un accès au réseau IP et transmet les données vers l’infrastructure de la MJC.

La passerelle peut ainsi recevoir les mesures provenant :

• de la cuve ;
• des goulottes ;
• des capteurs climatiques ;
• de futurs équipements installés autour de la serre.

Les équipements ne communiquent pas directement avec le VPS. Ils communiquent en LoRaWAN avec la passerelle, qui assure le lien avec le réseau IP.

Un serveur LoRaWAN privé sur le VPS de la MJC #

ChirpStack #

L’objectif est de ne pas dépendre d’un réseau LoRaWAN public tel que The Things Network pour cette installation.

Le VPS de la MJC La Citrouille peut héberger son propre serveur LoRaWAN ChirpStack.

ChirpStack est un serveur réseau LoRaWAN open source permettant d’administrer les passerelles, les objets et les applications depuis une interface Web.

La MJC devient donc opératrice de son propre petit réseau LoRaWAN.

Cette solution offre :

• maîtrise de l’infrastructure ;
• maîtrise des identifiants des capteurs ;
• absence de dépendance à un service LoRaWAN externe ;
• intégration directe avec les autres services déjà présents sur le VPS ;
• possibilité d’étendre le réseau ultérieurement à d’autres projets du FabLab ou de la MJC.

Cheminement d’une mesure #

Le cheminement d’une température peut par exemple être :

sonde de température

↓

module LoRaWAN

↓

radio LoRa 868 MHz

↓

passerelle HT-M01S

↓

réseau IP

↓

serveur ChirpStack du VPS

↓

MQTT

↓

Node-RED

↓

InfluxDB

↓

Grafana

ChirpStack peut publier les événements des appareils sous forme de messages MQTT, ce qui convient particulièrement bien à cette architecture.

Traitement des données sur le VPS #

ChirpStack #

ChirpStack prend en charge la partie LoRaWAN :

• authentification des appareils ;
• gestion des passerelles ;
• réception des uplinks ;
• gestion des downlinks ;
• identification des appareils ;
• décodage et transmission vers les applications.

Selon la configuration de la passerelle, le Gateway Bridge peut être placé sur la passerelle ou sur le serveur. ChirpStack documente notamment l’utilisation du Semtech UDP Packet Forwarder et de LoRa Basics Station pour relier une passerelle au serveur.

MQTT #

MQTT constitue le bus de communication entre les différents services.

Une mesure reçue par ChirpStack peut être publiée dans MQTT puis consommée simultanément par plusieurs applications.

De même, ChirpStack permet de programmer des messages descendants LoRaWAN à partir de commandes MQTT.

Node-RED #

Node-RED constitue la couche logique de supervision.

Il peut :

• décoder certaines mesures ;
• comparer les valeurs aux consignes ;
• calculer des moyennes ;
• détecter des dérives ;
• générer des alarmes ;
• déclencher des scénarios ;
• envoyer des ordres ;
• enregistrer les données dans InfluxDB.

Node-RED devient ainsi l’outil permettant de représenter simplement les automatismes de haut niveau.

InfluxDB #

InfluxDB conserve l’historique des données.

Les informations suivantes pourront par exemple être enregistrées :

• température de la serre ;
• température extérieure ;
• humidité ;
• température de l’eau ;
• EC ;
• pH ;
• niveaux des cuves ;
• état de la pompe ;
• débit ;
• ouverture du soupirail ;
• quantité estimée d’eau ajoutée ;
• cycles de dosage des nutriments.

L’historique permettra ensuite d’étudier le fonctionnement réel de la serre.

Grafana #

Grafana permettra de construire le tableau de bord de l’expérience.

On pourra notamment visualiser :

• l’évolution de l’EC ;
• le pH ;
• la consommation d’eau ;
• le volume disponible dans les cuves ;
• les températures ;
• l’humidité ;
• les périodes de fonctionnement de la pompe ;
• les ouvertures du soupirail ;
• les alarmes.

L’intérêt du projet devient alors également pédagogique : il sera possible d’observer précisément les relations entre météo, consommation d’eau, croissance végétale et régulation.

Commandes envoyées depuis le VPS #

Le chemin inverse peut être utilisé pour envoyer certaines commandes.

Par exemple :

Node-RED

↓

MQTT

↓

ChirpStack

↓

passerelle HT-M01S

↓

LoRaWAN

↓

module actionneur

↓

électrovanne ou autre équipement

Cela permet par exemple :

• de modifier une consigne ;
• de demander une mesure supplémentaire ;
• d’ouvrir une électrovanne ;
• de modifier un mode de fonctionnement.

Cependant, cette possibilité ne doit pas conduire à rendre la sécurité de la serre dépendante du LoRaWAN.

Pourquoi le LoRaWAN ne doit pas assurer seul la sécurité #

Une architecture reposant uniquement sur :

capteur → LoRaWAN → Internet → VPS → LoRaWAN → actionneur

présenterait un défaut majeur.

La perte d’un seul élément pourrait empêcher toute réaction :

• panne de la passerelle ;
• coupure Wi-Fi ou Ethernet ;
• panne Internet ;
• indisponibilité du VPS ;
• panne de ChirpStack ;
• problème MQTT ;
• brouillage radio ;
• perte d’un message LoRaWAN.

Pour une mesure informative, une telle interruption est acceptable pendant quelques minutes.

Pour une pompe hydroponique ou un niveau d’eau critique, elle ne l’est pas.

Les fonctions nécessaires à la survie des plantes doivent donc exister localement.

Automate local de sécurité #

Principe #

Un contrôleur installé dans la serre constitue le deuxième cerveau de l’installation.

Il peut s’agir par exemple d’un microcontrôleur ou d’un petit automate auquel peut être associé un Raspberry Pi pour les fonctions de supervision locale.

Sa mission n’est pas de remplacer le VPS.

Il doit uniquement garantir un fonctionnement minimal sûr lorsque le reste du système n’est plus disponible.

Le principe devient :

VPS disponible → fonctionnement optimisé

VPS indisponible → fonctionnement local dégradé mais sûr

Fonctions qui doivent rester locales #

Niveau minimum de la cuve nutritive #

Un capteur indépendant surveille le niveau minimum.

Si le niveau devient insuffisant :

• la pompe est protégée contre le fonctionnement à sec ;
• une procédure locale de remplissage peut être déclenchée ;
• aucune communication avec le VPS n’est nécessaire.

Niveau maximum #

Un flotteur de sécurité peut couper physiquement l’arrivée d’eau lorsque le niveau maximum est atteint.

Il constitue une protection supplémentaire même en cas de panne du contrôleur électronique.

Circulation de la solution #

Le contrôleur local surveille :

• l’ordre donné à la pompe ;
• le débit réellement observé.

Si la pompe fonctionne mais qu’aucun débit n’est détecté, une anomalie est enregistrée.

Une stratégie locale peut alors :

• arrêter puis redémarrer la pompe ;
• effectuer quelques tentatives ;
• déclencher une alarme locale ;
• conserver l’information pour la transmettre au VPS lorsque la communication revient.

Protection contre la marche à sec #

La protection contre la marche à sec doit idéalement être câblée localement.

Elle ne doit pas nécessiter une décision du serveur.

Température excessive #

Si la température dans la serre dépasse une valeur de sécurité, le contrôleur doit pouvoir ouvrir le soupirail sans contacter le VPS.

La régulation avancée pourra être assurée par Node-RED, mais une consigne de secours restera enregistrée localement.

Par exemple :

température normale : gestion par le système central

température critique : ouverture locale forcée du soupirail

EC hors limites #

Une dérive de conductivité ne nécessite généralement pas une réaction aussi immédiate qu’une absence d’eau.

Le système local peut néanmoins interdire automatiquement toute nouvelle injection de nutriments lorsque la valeur devient incohérente.

Cette règle permet d’éviter qu’une sonde défaillante ou une commande erronée conduise à une surconcentration dangereuse.

Principe des seuils indépendants #

Pour chaque variable importante, deux catégories de seuils peuvent être définies.

Seuils de régulation #

Ils sont gérés par le système central.

Ils servent à optimiser :

• rendement ;
• croissance ;
• consommation d’eau ;
• concentration nutritive ;
• ventilation.

Seuils de sécurité #

Ils sont enregistrés localement.

Ils ne dépendent jamais du VPS.

Par exemple :

niveau normal → régulation serveur

niveau très bas → action locale obligatoire

température normale → commande intelligente du soupirail

température dangereuse → ouverture locale forcée

Cette distinction évite qu’un problème informatique ne devienne un problème agronomique.

Surveillance des communications #

Chaque équipement peut transmettre périodiquement un message de présence.

Le VPS peut ainsi connaître :

• la date de dernière réception ;
• la qualité radio ;
• le niveau de batterie ;
• l’état de l’appareil.

Mais le contrôleur local doit également surveiller la communication avec le système central.

Un mécanisme de type watchdog peut être utilisé.

Si aucune information valide n’est reçue pendant une période déterminée, le contrôleur passe automatiquement en mode autonome.

Lorsque la liaison revient, il transmet :

• les alarmes ;
• les mesures éventuellement mémorisées ;
• la durée de la panne ;
• les actions effectuées localement.

Accès de maintenance au système local #

Un Raspberry Pi installé sur place peut compléter l’automate de sécurité.

Il peut communiquer avec le réseau Wi-Fi disponible à proximité de la serre.

L’installation de Tailscale permet alors un accès distant sécurisé au Raspberry Pi sans nécessiter d’ouverture particulière de ports sur le réseau local.

Ce Raspberry Pi peut servir :

• d’interface de diagnostic ;
• de passerelle de maintenance ;
• de stockage temporaire ;
• de journal local ;
• d’accès distant aux contrôleurs.

Il ne doit toutefois pas être indispensable aux sécurités élémentaires.

Même si le Raspberry Pi est arrêté, les protections essentielles telles que niveau bas, niveau haut ou protection de pompe doivent continuer à fonctionner.

Hiérarchie fonctionnelle recommandée #

L’installation peut finalement être organisée en quatre niveaux.

Niveau physique #

Il comprend :

• flotteurs ;
• relais ;
• fins de course ;
• trop-pleins ;
• clapets ;
• protections électriques.

Il constitue la dernière protection.

Niveau automate local #

Il assure :

• maintien du niveau d’eau ;
• protection de la pompe ;
• cycles minimums de circulation ;
• ventilation de sécurité ;
• surveillance des valeurs critiques.

Niveau LoRaWAN #

Il assure la transmission entre les équipements distribués et le système informatique.

Il évite de multiplier les câbles dans et autour de la serre.

Niveau VPS #

Il réalise :

• supervision ;
• historisation ;
• visualisation ;
• analyse ;
• optimisation ;
• alertes ;
• télécommande ;
• expérimentation.

Architecture générale proposée #

L’ensemble du projet peut être représenté ainsi :

CAPTEURS

Température
Humidité
Niveau eau de pluie
Niveau cuve nutritive
EC
pH
Température de l’eau
Débit
Détection de fuite

↓

CONTRÔLE LOCAL DE SÉCURITÉ

Pompe
Électrovannes
Vérin du soupirail
Protection niveau bas
Protection niveau haut
Watchdog
Mode autonome

↓

MODULES LoRaWAN

↓

PASSERELLE HELTEC HT-M01S

↓

RÉSEAU IP

↓

VPS MJC LA CITROUILLE

↓

CHIRPSTACK PRIVÉ

↓

MQTT

↓

NODE-RED

↓

INFLUXDB

↓

GRAFANA

Cette organisation permet d’obtenir simultanément une installation connectée, expérimentale et robuste.

Modes de fonctionnement #

Mode normal #

Le VPS est accessible.

Toutes les mesures remontent.

Node-RED calcule les consignes.

Grafana affiche les données.

Les historiques sont enregistrés.

La régulation peut être optimisée en fonction de l’évolution réelle de la culture.

Mode perte Internet #

Le lien avec le VPS disparaît.

Le système local conserve :

• la circulation minimale ;
• les niveaux d’eau ;
• la protection de la pompe ;
• les seuils thermiques ;
• les protections contre les débordements.

Aucune culture ne doit être mise en danger par cette perte de communication.

Mode panne LoRaWAN #

La situation est similaire.

Les appareils nécessaires aux fonctions vitales continuent leur régulation locale.

Les données distantes sont temporairement absentes mais les plantes restent protégées.

Mode panne VPS #

ChirpStack, Node-RED ou la base de données peuvent être indisponibles.

Le système hydroponique continue néanmoins localement.

Lorsque le serveur revient, la supervision reprend.

Mode panne d’un capteur #

Une mesure impossible ou physiquement incohérente ne doit jamais provoquer une action dangereuse.

Le programme passe dans un état de repli.

Par exemple :

• EC impossible → interdiction d’ajouter des nutriments ;
• niveau incohérent → interdiction d’un remplissage prolongé ;
• température incohérente → fonctionnement du soupirail suivant une stratégie de secours ;
• débit nul avec pompe active → arrêt et alarme.

Une serre également conçue comme outil expérimental #

L’intérêt de cette architecture dépasse l’automatisation de quelques plantes.

L’enregistrement sur plusieurs mois permettra d’étudier :

• la consommation réelle d’eau d’une culture hydroponique ;
• la quantité d’eau de pluie récupérée ;
• l’influence de la météo ;
• les variations de conductivité ;
• les besoins nutritifs suivant le développement des plantes ;
• l’efficacité de la ventilation ;
• la température de la solution ;
• le fonctionnement d’un réseau LoRaWAN privé ;
• la fiabilité des différents capteurs.

Il devient également possible de comparer la quantité d’eau consommée par kilogramme de produit récolté.

Évolutions possibles #

L’installation pourra progressivement être complétée par :

• mesure de luminosité ;
• mesure PAR pour quantifier la lumière réellement utilisable par les plantes ;
• sondes supplémentaires de température ;
• surveillance de l’oxygène dissous ;
• plusieurs cuves de nutriments concentrés ;
• pompe doseuse automatique ;
• capteur de pluie ;
• station météorologique ;
• caméra d’observation des cultures ;
• détection de fuite au sol ;
• alimentation secourue ;
• deuxième cuve de stockage d’eau de pluie.

Le système logiciel pourra également exploiter les prévisions météorologiques.

Par exemple, si la cuve d’eau de pluie est presque pleine et qu’une forte pluie est annoncée, certaines stratégies de gestion de l’eau pourront être anticipées.

Principe fondamental de conception #

L’objectif n’est pas de construire une serre qui ne fonctionnerait que lorsque tous les systèmes informatiques sont disponibles.

Le principe retenu doit être exactement inverse :

la serre sait assurer seule la survie de ses cultures ; le réseau informatique vient ensuite améliorer son fonctionnement.

Le LoRaWAN apporte la communication.

ChirpStack apporte la maîtrise d’un réseau LoRaWAN privé. L’architecture ChirpStack permet notamment d’interfacer les passerelles via MQTT et d’intégrer directement les données des objets aux applications du serveur.

Node-RED apporte l’intelligence de supervision.

InfluxDB apporte la mémoire.

Grafana apporte la visualisation.

Le contrôleur installé dans la serre apporte, lui, la fonction la plus importante : la continuité de fonctionnement et la sécurité de la culture.

Cette séparation entre automatisme local de sécurité et intelligence centralisée sur le VPS permet d’obtenir une serre hydroponique à la fois pédagogique, évolutive, mesurable et suffisamment robuste pour fonctionner sur une longue période.