Étude US : LoRa IoT automatise l'irrigation sur terrain

L'étude menée par José O. Payero, Udayakumar Sekaran et Dana Bodiford Turner (Université de Clemson), publiée sur ScienceDirect (Elsevier), montre comment mettre en œuvre un système IoT open source et peu coûteux pour l'irrigation semi-automatisée à l'aide d'un système à déplacement latéral.

La solution a été testée dans des conditions réelles sur le terrain pendant trois saisons de culture du coton. Elle contrôle les zones d'irrigation en fonction de données en temps réel concernant le potentiel hydrique du sol.

L'IoT pour une irrigation plus précise

Dans de nombreuses exploitations agricoles, les systèmes d'irrigation fonctionnent encore selon des horaires fixes ou des décisions manuelles. Cela peut entraîner une sur-irrigation ou une sous-irrigation, en particulier lorsque les conditions du sol et du champ varient.

L'étude aborde ce problème à l'aide d'un réseau de capteurs sans fil qui mesure le potentiel hydrique du sol en temps réel et contrôle automatiquement les zones d'irrigation individuelles d'un système à déplacement latéral. L'objectif est une distribution d'eau précise, par zone, au cours d'un cycle d'irrigation.

Un système à déplacement latéral est un système d'irrigation linéaire qui se déplace latéralement à travers le champ et distribue l'eau de manière uniforme via plusieurs arroseurs.

Architecture du système avec LoRa, capteurs et commande par relais

Le système a été testé sur un champ de coton de 1,5 hectare au Centre de recherche et d'éducation Edisto de l'université de Clemson, en Caroline du Sud, et repose sur des composants électroniques open source et une plateforme IoT.

Des capteurs WATERMARK-200SS ont été installés dans chaque zone d'irrigation pour mesurer le potentiel hydrique du sol à trois profondeurs. Les données des capteurs ont été enregistrées toutes les 20 minutes et transmises via LoRa à un récepteur central.

Un capteur de position équipé d'un encodeur a également déterminé la position du système Lateral-Move dans le champ. Sur cette base, le système a pu déterminer quelles zones devaient réellement être irriguées à mesure qu'il se déplaçait dans le champ.

16 zones d'irrigation dans l'essai sur le terrain

Le champ a été divisé en 16 zones surveillées indépendamment. Le contrôle a été assuré par des relais et des électrovannes sur les lignes d'arrosage.

En 2021 et 2022, quatre variantes ont été comparées : un essai témoin en terrain sec sans irrigation, ainsi que trois seuils d'irrigation à des potentiels hydriques du sol de −30, −40 et −50 kPa.

Les valeurs en kPa décrivent le potentiel hydrique du sol : plus la valeur est négative, plus le sol est sec et plus l'irrigation intervient tardivement.

Le seuil de −30 kPa a entraîné des irrigations plus fréquentes et des conditions hydriques du sol plus stables. À −50 kPa, des fluctuations plus importantes se sont produites car des périodes de sécheresse plus longues ont été autorisées.

Essai sur le terrain sur trois saisons de culture

Le système a été testé dans le cadre de la culture du coton de 2020 à 2022. L'accent a été mis sur les aspects techniques tels que la communication sans fil, la collecte de données, le positionnement et le contrôle des vannes par zone.

Des défis pratiques sont apparus au cours de la première année d'exploitation, notamment la faune sauvage, des câbles de capteurs endommagés, des orages et une alimentation solaire limitée. Ces problèmes ont été atténués grâce à des mesures de protection et des ajustements de conception.

Malgré ces conditions, 13 des 16 nœuds de capteurs ont fonctionné de manière fiable au cours de la première année. La stabilité du système a encore été améliorée au cours des années suivantes.

Aucune différence significative au niveau du rendement

En raison de précipitations abondantes et bien réparties, les irrigations ont été rares. Par conséquent, aucune différence significative de rendement du coton n'a été observée entre les variantes.

L'étude démontre donc principalement la faisabilité technique et la fiabilité du système. Les conclusions concernant les avantages agronomiques dans des conditions sèches nécessitent des recherches supplémentaires.

Communication LoRa dans le système : architecture sans LoRaWAN

Le réseau de capteurs sans fil repose sur la technologie LoRa pour la transmission locale des données sur le terrain. Les nœuds de capteurs envoient leurs valeurs mesurées directement à une unité de contrôle centrale.

Il ne s'agit pas d'un réseau LoRaWAN. La communication s'effectue directement entre les capteurs et le récepteur selon une topologie en étoile simple.

La connexion au cloud est établie séparément via un module cellulaire. Ce module transmet les données à une plateforme IoT pour une visualisation en temps réel.

Pour les intégrateurs de systèmes, cette approche représente une architecture IoT agricole typique : LoRa pour la communication locale, cellulaire pour l'intégration des données externes. Cela permet au système de rester indépendant de toute infrastructure réseau supplémentaire.

Automatisation partielle avec une voie vers l'automatisation complète

Le système automatise la distribution de l'eau au sein des zones. Le démarrage et l'arrêt du processus d'irrigation sont toujours contrôlés manuellement.

Il s'agit d'une automatisation partielle. Une automatisation complète nécessiterait des composants supplémentaires, notamment des capteurs de pression, des commutateurs de débit et des mécanismes de sécurité pour le fonctionnement de la pompe.

Vous pouvez consulter l'étude complète ici : https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772375526002261