Aquaponie / Hydroponie


L’hydroponie est une technique horticole permettant de procéder à une culture hors-sol efficace. Le terre est alors remplacée par un substrat inerte et stérile, irriguée par une solution nutritive dans laquelle trempent les racines. Cette solution doit alors contenir tes les sels-minéraux et oligo-éléments nécessaires aux plantes. Cette technique permet donc au cultivateur un contrôle total des nutriments apportés à la plante et ainsi garantir sa bonne santé et son bon développement.
Le but de ce projet est donc de mettre en place un système hydroponique automatisé. Cela consiste donc à permettre l’accès en temps réel à différentes mesures, telles que la température, l’humidité, la luminosité etc. De plus, certaines actions peuvent être effectuées automatiquement par le système en fonction des relevés : allumer une lampe en cas de luminosité faible par exemple. Ce projet comprend donc la création de l’environnement de culture, la mise en place de différents relevés en continu et leur restitution au cultivateur ainsi que la réalisation d’opérations automatisées en fonction des mesures faites.


Membres du projet:

Antoine Boulangé
Anthony Freyermuth
Benjamin Le Rohellec
Bastien Poillion

Existants :

HydroBot :


HydroBot est le premier système d’automatisation de la culture hydroponique Open Source dans le monde. Ce système hydroponique surveillence en permanence le Ph, la Conductivité Electrique (lié à la teneur en nutriments, l’humidité, la température de l’eau et de l’air et aussi un controôle sans fil des lumières et des pompes. HydroBot est adapté aux systèmes de moins de 5000 plantes ce qui est rare pour une culture d’un particulier. HydroBot propose une application mobile pour contrôler son système hydroponique à distance pour les lumières, les pompes, les humidificateurs, déshumidificateurs etc …. Ce projet utilise le shield Tentacle P3 pour la raspberry PI qui fournit tous les capteurs nécessaires.
Le projet indique qu’il est rentable en moins de 6 mois. En effet, les gérants de ce projet indiquent qu’une plante produira une valeur de 2 dollars au grand minimum, le prix réel se rapprochant des 5 dollars. Le système coutant 1200 dollars, avec un système de 108 plantes, c’est remboursé en un peu moins de 6 mois.
Lien : https://hydro.bot/

AquaPionics

Encore une fois comme le projet existant précéent, AquaPionics est un système open source permettant de d’automatiser la gestion du pH, de l’électro-conductivité, de la température, les pompes, les vannes etc … Or cette fois ci ce kit est un kit aquaponique est non hydroponique, il gère aussi la distribution automatique de nourriture. Ce projet est basé sur une carte Arduino et une Raspberry PI, des cartes de capteurs de chez Sparky’s Widgets mais modifié. Il utilise le shield Aquarium Ultra de chez Practical Maker qui ressemble au shield Tentacle P3 qu’utilise HydroBot
Lien : https://hackaday.io/project/2190-aquapionics

OpenAquarium


OpenAquarium est lui aussi encore une fois un système aquaponique et non hydroponique. Il propose deux kits différents : Basic et AquaPonics ainsi que des accessoires supplémentaires.
La plateforme est composée de 5 capteurs, toujours les mêmes en général qui sont indispensables : la température, le pH, la conductivité électrique. Dans celui là, il y aussi des capteurs qui servent à la sécurité avec des capteurs pour contrôler le niveau de l’aquarium et donc si il y a des fuites. Il y a encore une fois des actionneurs pour l’alimentation des poissons, pour les pompes et pour le contrôle de l’intensité de la lumière.
Les informations peuvent être récupérés via une API Open Source.
Ce projet est intéressant car le shield proposé est le leur.
Lien : https://www.cooking-hacks.com/documentation/tutorials/open-aquarium-aquaponics-fish-tank-monitoring-arduino.html


Problématiques et solutions :

Conception physique

Au niveau de la conception physique, il faut des pots pour faire de la culture hydroponique. Il faut que ces pots soit tout d’abord hermétiques et il faut fixer la taille dès le départ. Nous avions en tête la culture de plante aromatique de la taille d’un basilic par exemple. Nous avons donc décidé de fabriquer nous même nos pots via les imprimantes 3D disponibles au EirLab. Nous avions principalement à disposition du PLA pour imprimer ce qui était très bien puisqu’il est connu pour être hermétique / imperméable et en plus recyclage, c’était donc la solution parfaite. Il a donc fallu concevoir ces pots via OnShape. Nous avons choisi de suivre ce qu’il nous paraissait le plus optimale au niveau de la forme et du socle, un socle avec des trous pour permettre aux racines de sortie et à l’eau de sortir. On a aussi choisi une structure en biseau sur le haut du pot pour permettre de les installer dans un bac plus tard.
Au niveau de la taille de notre pot, on a donc un pot de 37.5 mm de diamètre intérieur et 40 mm de diamètre extérieur qui permet au pot d’être assez résistant. Le biseau supérieur est de 50 mm.

 

Ensuite on a eu l’idée de réaliser comme une sorte de bloc pour pouvoir effectuer notre hydroponie. On avait donc commencé par réaliser une plaque de plexiglass pouvant accueillir ces 4 pots. Encore une fois, pour ce faire nous avons utilisé OnShape. Ayant réalisé 4 pots, le choix des dimensions et de la forme de la plaque a été un carré de 32,8 cm de côté avec 4 trous de 41mm répartis équitablement. On a donc obtenu une plaque de ce type qui pouvait accueillir les 4 pots.

Mesures

Une plante, comme tout être vivant, a de nombreux besoins nécessaires à son bon développement et à sa bonne santé et cela tant en hydroponie que dans l’état naturel. Une plante a notamment besoin, entre autres :
* d’oxygène, notamment à travers l’eau qu’elle absorbe par ses racines ou directement par un contact de ses racines avec l’air ambiant.
* de nutriments à absorber tels que les nitrates, les phosphates, les oligo-éléments, l’azote, le potassium, etc. dans des quantités fluctuant pour chaque plante.
* d’un équilibre du pH de la solution nutritive afin que les nutriments mentionnés précédemment soit accessibles à la plante. Ce pH doit également être adapté à chaque plante, celles-ci n’ayant pas les mêmes préférences.
* de lumière afin de pouvoir convenablement effectuer la photosynthèse.

De nombreuses mesures peuvent donc être mises en place afin de gérer efficacement ces besoins.
Il est par exemple possible d’utiliser une sonde à oxygène afin de s’assurer de la bonne concentration en oxygène.Cette dernière peut être augmentée grâce à l’agitation de l’eau, soit naturellement par écoulement, soit grâce à une pompe ou un agitateur (comme dans les aquariums). Afin de gérer l’absorption des nitrates et de l’azote au niveau des feuilles, il est également possible d’utiliser des pinces à feuilles. La mesure du pH peut quand à elle être effectuée de deux manières. Dans un premier temps, une sonde à pH peut être mise en place, mais il est auparavant nécessaire d’effectuer son calibrage et de s’assurer de la durabilité de ce dernier afin d’éviter toute mesure erronée. Il est sinon également possible de mettre en place un relevé automatique par bande de papier indicateur de pH et son interprétation par traitement de l’image, mais cela nécessite une intervention humaine pour renouveler les stocks de bandes. Enfin, une mesure de la conductivité électrique nous permet de connaitre avec une précision relative les nutriments présents dans la solution.

Nous avons donc fait le choix de centraliser une grande partie de la gestion des mesures. En effet, la majorité d’entre elles peuvent être effectuées via la carte Tentacle T3 pour Raspberry PI.

Cette carte permet notamment la mesure des nutriments, du pH, de la température, du taux d’oxydo-réduction et de conductivité électrique. De plus, le contrôle du flux d’eau peut être aussi réalisé avec cette carte qui est composée d’une pompe. L’autre mesure importante qu’est la luminosité pourra être calculé via Arduino.
Cette carte est compatible avec les capteurs Atlas Scientific pour la conductivité et la température.

Détection de maladie

Un des problèmes qui peut être difficile à apercevoir dans une culture automatique et qui n’est pas souvent voir jamais mentionné est la détection de maladie de la plante. En effet, la plante peut, même si elle subvient à tous ses besoins peut tomber malade pour telles ou telles raisons. Nous avons donc voulu trouver une manière de détecter ces maladies. Une des solution aurait pu être de prélever une partie de la plante et de l’analyser mais c’est une manière très difficile à automatiser. Nous avons donc pensé alors après avoir fait quelques recherches au traitement d’images. En effet, la maladie d’une plante est souvent visible, comme par exemple le jaunissement des feuilles voir la mort de certaines feuilles.
Nous avons donc pensé à prendre une photo par jour de la plante, ce qui n’est pas très cher en coût et de lancer une analyse de l’image à chaque photo. Le mieux pour ce traitement d’image est de le séparer en 2 parties :
– Une première analyse détectant où est la plante pour ne garder que (ou presque) les pixels correspondant à la feuille. On fait ça simplement en donnant un “taux” de vert. Si ce taux de vert n’est pas assez élevé sur le pixel analysé, on le transforme en pixel noir.
– Une deuxième analyse où cette fois on prend en entrée le résultat du dernier traitement, on a plus que la feuille entourée de noir. On passe cette fois sur tous les pixels de la feuille, et si le pixel est trop jaune, ou plutôt pas assez vert, on le garde, si le pixel est assez vert, on le passe au noir

Ce traitement d’images a été réalisé grâce à la lib bcl qui permet de traiter des images en ppm. Pour obtenir des images ppm, une librairie permettant la conversion d’image imagemagick est utile pour convertir très facilement n’importe quelle format d’image en n’importe quelle autre et donc le ppm dans notre cas. Son installation se fait très simplement via la commande sudo apt install imagemagick.
Ce traitement n’est pas optimale dû au fait qu’on n’a pas les images de nos feuilles et donc on ne sait pas où traiter mais le fichier donné en annexe peut être facilement amélioré et présente la grande base du traitement.

Traitement Infrarouge

Afin de savoir si les plantes sont en bonne santé, nous pouvons déjà vérifier que la photosynthèse est bien active dans la plante. Afin de transformer la lumière en sucre, les plantes utilisent principalement les lumières rouges et bleues, renvoyant la lumière verte (d’où leur aspect à nos yeux). Nous pouvons ainsi estimer la vigueur d’une plante en analysant la quantité de lumière rouge et bleue qu’elle absorbe.

Nous savons aussi que la photosynthèse n’utilise pas les lumières infrarouges proches et en réfléchit la majorité, contrairement aux lumières rouges qui est majoritairement absorbée, comme expliqué ci-dessus. Il est donc possible de comparer la réflexion de ces deux types de lumières afin d’avoir une idée de la proportion de la lumière solaire absorbée par les plantes:NDVI = (Near IR – Red)(Near IR + Red)


The Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) permet de connaitre la santé de la végétation. Il s’agit de la différence expliquée ci-dessus mais normalisée (en divisant par la quantité totale de lumière rouge et infrarouge) afin de pouvoir également comparé entre-eux des relevés effectués à différent moments de la journée.

Il est possible d’obtenir une bonne approximation du NDVI en utilisant deux caméras : une “normale” afin de capturer la lumière visible (et donc les lumières rouges) et une seconde afin d’enregistrer uniquement les infrarouges proches.

  • Lumière rouge

Afin d’obtenir la lumière rouge, nous pouvons tout simplement appliquer un filtre rouge sur une caméra classique. Cependant, certains infrarouges rouges proches seraient également détectable par la caméra, c’est pourquoi, afin de copier la vision humaine, il faudrait également appliquer un filtre opaque aux infrarouges proches.

  • Lumière infrarouge proche

Afin d’obtenir la lumière infrarouge proche, il est possible de retirer le filtre infrarouge présent sur n’importe quelle caméra et de la remplacer par un filtre bloquant toute lumière visible mais laissant passer la lumière infrarouge. Un simple rectangle de film négatif coloré peut être placé devant le capteur de l’appareil.

Les deux caméras ont donc besoin d’être convenablement gérée afin de synchroniser parfaitement le déclenchement et l’alignement des photos.
Ce problème peut être résolu par l’utilisation d’une seule et unique caméra: si le filtre infrarouge est remplacé par un filtre qui laisse passer les infrarouges proches et ne bloque que la lumière rouge, alors les relevés sur les infrarouges pourra être utilisée comme précédemment et la lumière bleue sera alors utilisée comme référence de la lumière absorbée par les plantes (en lieu et place de la lumière rouge). Cependant, la qualité en sera amoindri, il faut donc privilégier autant que possible la solution à deux caméras. Bien évidemment, il est possible d’effectuer ce montage avec plus ou moins n’importe quel caméra. Nous pourrons donc par la suite utiliser deux caméra qui ne sont plus utilisées. (Prix : ~50 euros)

Optimisation de l’ensoleillement

Pour que la plante soit en bonne santé, l’ensoleillement est un critère très important pour les plantes héliophiles, il faut donc lui aussi le réguler. Pour cela, on peut se servir du capteur de luminosité que l’on avait et faire varier la luminosité que reçoit la plante en fonction des valeurs renvoyés par la carte Arduino relié au capteur. Pour cela, une manière assez simple que nous avions pensé était de relié un petit moteur à notre carte Arduino qui serait enclenché dans une crémaillère que nous aurions préalablement réalisé et imprimé via l’imprimante 3D. Cette crémaillère aurait entraîné un engrenage se situant au bout d’un “rouleau” permettant de dérouler ou re enrouler une sorte de toile micro-perforé (comme il peut y avoir au niveau des fenêtres des voitures) que nous aurions peut être pu réalisé via la découpe laser selon le matériel choisi.


Lorsqu’une plante n’est plus dehors, dans son habitat naturel, elle va manquer de rayonnement solaire. Même si l’endroit paraît lumineux, très peu de rayons traversent directement une pièce. L’arrosage et les nutriments contenus dans la terre sont très importants mais la lumière est essentielle. Cette lumière va permettre la photosynthèse, ce processus servant à la nutrition des plantes. C’est pourquoi, il est également possible de recourir à l’utilisation d’une LED afin de palier à ce manque de lumière. Afin d’être efficace, celle-ci doit soit diffuser de la lumière blanche dites plein spectre, soit de la lumière violette. En effet, les lumières bleues et rouges sont les deux lumières les plus importantes pour le bon développement d’une plante. Il est ainsi possible de trouver des LED horticoles pour notre système hydroponique.
La LED revêt plusieurs avantages en comparaison des autres sources possibles de lumière. Tout d’abord, sa consommation énergétique est modérée, tout autant que ses températures de fonctionnement, qui peuvent s’envoler chez d’autres technologies. De plus, la lumière est particulièrement stable, permettant ainsi une homogénéité du faisceau lumineux. Enfin, la technologie LED a également une durée de vie importante, de l’ordre de dizaines de milliers d’heures.

Afin d’être proactif sur la gestion de l’ensoleillement et ainsi faire du prévisionnel, il est également possible d’utiliser une API météo permettant de récupérer ici deux données particulièrement utiles: l’ensoleillement en heures et la probabilité de pluie. Cette API est de plus gratuite jusqu’à 500 requêtes par jour, ce qui reste plus que suffisant pour notre système et permet de prévisions jusqu’à 14 jours.


Vision agronome

Pour toutes les personnes intéressées par le sujet de l’hydroponie, un conseil serait de ne pas oublier le point de vue agronome de cette pratique. Vous trouverez pour cela plusieurs ressources ci-dessous, qui sont loin d’être exhaustives mais permettent un début de réflexion et de compréhension des enjeux et limites et qui aborderont le sujet d’un point de vue agronome bien mieux qu’on ne pourrait le faire :

Publications agricoles

https://agritrop.cirad.fr/592887/
https://matheo.uliege.be/handle/2268.2/7659
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02002760/
https://hal.archives-ouvertes.fr/hal-02182578/

Publications et ouvrages scientifiques

https://www.cairn.info/revue-pour-2014-4.htm
https://www.cairn.info/revue-cahiers-de-l-action-2016-1-page-41.htm
https://www.persee.fr/doc/tiers_0040-7356_1992_num_33_130_4691?q=hydroponie

Sites Internet

http://www.fao.org/zhc/detail-events/fr/c/325839/https://magazine.laruchequiditoui.fr/cultures-sans-sol-et-sans-reproches/http://www.environnement-et-energie.fr/2015/07/les-carences-de-l-agriculture-hors-sol-hydroponique.html


Matériel

Disponible

  • 4x petite pompe immergée ~ 10 euros
  • 4x capteur d’humidité du sol KYES516 ~ 10 euros
  • 1x capteur de température KY-001 ~ 10 euros
  • 1x capteur de luminosité KY-018 ~ 10 euros
  • 1x quadruple carte d’interrupteurs pour les pompes  ~ 15 euros
  • 1x capteur de pH ~ 45 euros
  • 4x tuyau souple
  • 1x carte Arduino Uno ~ 20 euros
  • 1x Raspberry PI ~ 25 euros

Réalisé

  • 4x pots en PLA Imprimante 3D
  • 1x plaque de plexiglass / PMMA Découpeuse Laser
  • 1x crémaillère Imprimante 3D ou Découpeuse Laser
  • 2x engrenage Imprimante3D ou Découpeuse Laser

A se procurer

  • 2 caméras ~ 50 euros
  • Shield Tentacle P3 pour Raspberry PI ~ 80 euros
  • Leds horticoles ~100 euros

Ressources


Pot
Plaque de plexiglass
Programme de repérage des feuilles malades :  Feuille
Programme Arduino de relevés :  Measures

Pour le moment, nous avons réalisé le schéma suivant, illustrant le montage pour une seule plante:


Inspirations:

Méthode Walstad (aquaponie)
montage pour fenêtre: https://i.pinimg.com/originals/e6/ac/e9/e6ace93cd40f63b22119ecc3613b8395.jpg
(Guide de montage)
https://wiki.lowtechlab.org/wiki/Hydroponie
https://www.gerbeaud.com/jardin/decouverte/hydroponie,1248.html

Traitement d’images

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2214317316300154

Capteur de nutriments

https://www.atlas-scientific.com/product_pages/probes/ec_k1-0.html

Illustrations

http://www.cocondedecoration.com/blog/wp-content/uploads/2016/05/deco-jardin-jardiniere-desserte-diy.jpg
http://www.lecoinpotager.fr/wp-content/uploads/2013/07/jardin-potager-vertical-4.jpg

Aides

Entreprise VegetalSignals dans les locaux de l’ENSEIRB

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