Le capteur solaire d'EC du sol LoRaWAN s'impose comme le « médecin du sol » de l'agriculture intelligente grâce à son intégration approfondie de la technologie de détection précise de la conductivité du sol (EC), de l'alimentation solaire autonome et de la technologie de transmission longue distance à faible consommation LoRaWAN, répondant ainsi aux exigences fondamentales d'absence de câblage, de durée de vie prolongée et de surveillance précise. Son principe de fonctionnement se décompose en quatre modules clés, formant une boucle fermée complète, de la collecte des paramètres du sol à l'application sur le terminal de données.
1. Couche de perception du noyau : principe de mesure de la valeur de la conductivité électrique du sol et paramètres associés
La fonction principale des capteurs est de mesurer avec précision les valeurs de conductivité électrique du sol (reflétant la salinité et la fertilité), l'humidité et la température. Les principes de mesure de ces trois paramètres déterminent directement la précision des données et constituent également la base de l'orientation de la gestion agricole.
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Mesure de la valeur EC (conductivité) du sol : capture quantitative des caractéristiques de conductivité ionique
La valeur de conductivité électrique du sol est essentiellement un indicateur de la conductivité des ions solubles (tels que l'azote, le phosphore, le potassium, le sodium, le calcium, etc.) présents dans le sol. Plus la concentration en ions est élevée, plus la valeur de conductivité électrique est élevée. Le capteur utilise la méthode à deux électrodes (ou à quatre électrodes) pour mesurer la conductivité électrique, dont le principe de base est le suivant :
Structure des électrodes : La sonde est équipée de deux à quatre électrodes métalliques résistantes à la corrosion (généralement en acier inoxydable 316 ou en alliage de titane pour éviter la corrosion par les sels du sol). Une fois insérées dans le sol, les électrodes forment un circuit conducteur avec celui-ci.
Excitation du signal : L'appareil applique une tension alternative basse fréquence stable (généralement 50-1000 Hz pour éviter les effets de polarisation du sol affectant la précision de la mesure) à une paire d'« électrodes d'excitation », formant un champ électrique uniforme dans le sol ;
Collecte de courant : Une autre paire d'« électrodes de mesure » collecte de manière synchrone le faible courant généré par le mouvement directionnel des ions dans le sol (la taille du courant est positivement corrélée à la concentration en ions) ;
Calcul des données : La résistance du sol est calculée selon la loi d'Ohm (R = U/I), combinée à des paramètres géométriques tels que l'espacement des électrodes et la profondeur d'insertion. La conductivité du sol est calculée selon la formule EC = K/(R × L) (où K est la constante d'électrode et L l'espacement des électrodes), l'unité de sortie finale étant le μ S/cm ou le mS/cm.
Remarque : Comparée à la méthode à deux électrodes, la méthode à quatre électrodes élimine efficacement l'interférence de la résistance de contact des électrodes avec le sol et offre une plus grande précision dans les situations extrêmes, comme les terrains salins et alcalins. La plage de mesure s'étend de 0 à 20 000 μS/cm avec une erreur ≤ 3 %.
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Mesure de l'humidité du sol : application de la technologie de réflectométrie dans le domaine fréquentiel (FDR)
L'humidité du sol est étroitement liée à la valeur de la conductivité électrique (l'humidité est le milieu de transport des ions), et les capteurs utilisent généralement la technologie FDR (réflectométrie dans le domaine fréquentiel) pour mesurer la teneur en eau volumique du sol. Le principe est le suivant :
Transmission du signal haute fréquence : La sonde est équipée d'un oscillateur haute fréquence qui émet des ondes électromagnétiques haute fréquence de 100 MHz à 1 GHz vers le sol. La propagation de ces ondes dans le sol génère différentes constantes diélectriques en raison de la teneur en humidité du sol (la constante diélectrique d'un sol sec est d'environ 3 à 5, celle de l'eau pure d'environ 80, et plus la teneur en humidité est élevée, plus la constante diélectrique est élevée).
Réflexion et réception du signal : Certaines ondes électromagnétiques sont réfléchies vers le capteur par les particules du sol, et le module de réception capture la différence de phase et l'atténuation d'amplitude du signal réfléchi ;
Conversion d'humidité : en utilisant une courbe d'étalonnage prédéfinie de « teneur en humidité constante diélectrique » (qui doit être calibrée à l'avance pour différents types de sols, tels que l'argile, le limon et le sol sableux), les valeurs caractéristiques du signal réfléchi sont converties en teneur en humidité volumique du sol (unité : %), avec une précision de mesure de ± 2 % (plage de teneur en humidité de 0 à 50 %).
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Mesure de la température du sol : conversion de la caractéristique de résistance de température de la thermistance
La température peut affecter la précision de la mesure de la conductivité électrique du sol et de l'humidité (par exemple, une augmentation de la température peut accélérer le mouvement des ions, augmentant ainsi la conductivité électrique). Il est donc nécessaire de mesurer la température simultanément pour l'étalonnage de la compensation. Le cœur utilise une thermistance CTN :
Caractéristiques des composants : La valeur de résistance de la thermistance NTC diminue de façon exponentielle avec l'augmentation de la température, et elle présente les caractéristiques d'une sensibilité élevée (le changement de résistance peut atteindre des milliers d'ohms dans la plage de -40 ℃ à 80 ℃) et d'une réponse rapide (≤ 1 seconde) ;
Conversion du signal : L'appareil applique un courant constant à la thermistance, mesure le changement de tension aux deux extrémités de la résistance (U=IR), déduit la valeur de résistance, puis la compare au « tableau de comparaison de résistance de température » de la thermistance pour convertir la température du sol, avec une précision de ± 0,5 ℃ et une résolution de 0,1 ℃ ;
Fonction de compensation : les données de température en temps réel sont renvoyées au module de mesure de la valeur CE et de l'humidité, et les erreurs causées par les fluctuations de température sont corrigées via des algorithmes (par exemple, pour chaque augmentation de 1 ℃ de la température, la valeur CE augmente d'environ 2 %, et l'écart doit être déduit proportionnellement).
2. Couche d'approvisionnement énergétique : énergie double complémentaire de l'énergie solaire et des batteries
Les capteurs doivent rester sans surveillance sur le terrain pendant une longue période, c'est pourquoi le système d'alimentation autonome alimenté par l'énergie solaire est la garantie de leur fonctionnement stable, et le cœur est le travail collaboratif de « charge solaire + stockage d'énergie par batterie » :
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Conversion de l'énergie solaire : application efficace de l'effet photoélectrique
Choix des panneaux solaires : Des panneaux solaires en silicium monocristallin (dont le rendement de conversion photoélectrique est de 20 % à 24 %, supérieur à celui du silicium polycristallin) sont utilisés, avec une surface généralement comprise entre 50 et 100 cm². Ils peuvent produire 5 à 10 Wh d’électricité avec une moyenne quotidienne de 4 heures de lumière.
Gestion de charge : équipé d'un contrôleur de charge MPPT (Maximum Power Point Tracking), suivi en temps réel du point de sortie de puissance maximale du panneau solaire (comme le réglage automatique de la tension et du courant lorsque l'intensité lumineuse change pour éviter le gaspillage d'énergie), transmettant efficacement l'énergie électrique à la batterie ;
Protection anti-charge inversée : lorsqu'il n'y a pas de lumière la nuit ou par temps de pluie, le contrôleur coupe automatiquement la connexion entre le panneau solaire et la batterie pour empêcher la batterie de se décharger en sens inverse vers le panneau solaire et prolonger la durée de vie de la batterie.
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Stockage d'énergie par batterie : conception à faible autodécharge à long terme
Type de batterie : Utilisant une batterie au chlorure de lithium thionyle (Li SOCl₂), la capacité est généralement de 4000 à 19000 mAh, avec un taux d'autodécharge ultra-faible (autodécharge annuelle ≤ 1 %, bien inférieur aux 5 % à 10 % des batteries au lithium), une large plage de température de fonctionnement (-55 ℃ à 85 ℃) et une durée de vie allant jusqu'à 6 à 10 ans ;
Répartition énergétique : La batterie donne la priorité à l'alimentation du « module de détection » (mesure EC, humidité, température) et du « module de transmission » (communication LoRa), en activant uniquement les composants haute puissance pendant la mesure et la transmission, et en entrant en mode veille (courant de veille ≤ 10 μ A) en cas d'inactivité, maximisant ainsi la durée de vie de la batterie.
3. Couche de transmission de données : communication longue distance à faible consommation d'énergie via le protocole LoRaWAN
Les données de valeur CE, d'humidité et de température collectées par les capteurs doivent être transmises à distance à une plate-forme cloud, en s'appuyant sur le protocole LoRaWAN pour répondre aux exigences de communication de « faible consommation d'énergie, longue distance et large couverture »
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Couche physique LoRa : technologie à spectre étalé pour la transmission longue distance
Méthode de modulation : Grâce à la technologie de modulation à étalement de spectre LoRa (basée sur CSSChirp Spread Spectrum), le signal de données est chargé sur un signal de modulation de fréquence linéaire (par exemple, un balayage linéaire de 200 kHz à 400 kHz). Cette méthode offre une excellente protection contre les interférences et, même en cas de bruit, permet de récupérer les données par démodulation.
Distance de transmission : Dans les scènes de terres agricoles ouvertes, le rayon de couverture d'une seule passerelle peut atteindre 5 à 15 km ; dans les scènes obstruées telles que les vergers et les collines, le rayon de couverture est de 2 à 5 km, bien supérieur aux technologies de communication à courte portée telles que Bluetooth (100 mètres) et Wi-Fi (1 kilomètre) ;
Contrôle de la consommation électrique : Adoptant le mode de fonctionnement « Classe A » (une catégorie basse consommation définie par le protocole LoRaWAN), le capteur ne se réveille brièvement que pendant la « transmission de données en amont » (comme le téléchargement de données toutes les 10 à 24 heures, avec des intervalles personnalisables) et la « réception d'instructions en aval » (comme la modification à distance des intervalles d'échantillonnage), et se met en veille pendant le reste du temps, avec une consommation électrique de transmission unique de seulement quelques millijoules.
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Processus de transmission de données : Lien des capteurs vers le cloud
Traitement local des données : les capteurs convertissent les valeurs EC, l'humidité et les données de température en signaux numériques et les compressent et les codent (par exemple en utilisant des formats JSON ou binaires pour réduire le volume de données, avec une seule transmission de seulement 50 à 100 octets) ;
Réception et transmission de la passerelle : les données sont envoyées aux passerelles LoRaWAN à proximité via des modules RF LoRa. La passerelle convertit les signaux LoRa en signaux Ethernet/4G et les transmet aux serveurs du réseau cloud (NS).
Analyse des données cloud : le serveur réseau vérifie la légitimité des données (identifiant de l'appareil, clé de chiffrement, etc.), puis les transmet au serveur d'applications (AS). Ce dernier analyse les données brutes en valeurs lisibles de conductivité électrique (EC) (par exemple, 800 µS/cm), de teneur en humidité (par exemple, 60 %), de température (par exemple, 25 °C), puis les stocke dans la base de données.
4. Couche d'application des données : garantie de précision pour l'étalonnage et la compensation
Les données brutes doivent être calibrées et compensées avant de pouvoir être véritablement utilisées pour la prise de décision agricole, ce qui constitue une étape clé pour les capteurs, de la « collecte de données » à la « production de valeur » :
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Calibrage du type de sol : éliminer les interférences de la texture du sol
La structure particulaire et la teneur en matière organique des différents types de sols (argile, limon, sable) varient, ce qui peut influencer les résultats de mesure de la conductivité électrique (CE) et de l'humidité. Les capteurs intègrent généralement des bibliothèques d'étalonnage pour plusieurs types de sols (par exemple, 10 à 20 sols courants), et les utilisateurs peuvent sélectionner les types de sols correspondants via des plateformes mobiles NFC ou cloud. L'appareil appelle automatiquement l'algorithme d'étalonnage correspondant pour corriger les écarts de mesure (par exemple, en déduisant l'effet d'adsorption des particules de sol sur le courant lors de la mesure de la CE du sable).
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Compensation croisée de température et d'humidité : correction de l'impact des facteurs environnementaux
Compensation de température : Comme indiqué précédemment, pour chaque variation de température de 1 °C, la valeur de conductivité électrique varie d'environ 2 %, et la mesure de l'humidité peut également être erronée en raison des variations de la constante diélectrique. L'équipement utilise la température du sol mesurée en temps réel pour corriger, de manière linéaire ou non linéaire, la valeur de conductivité électrique et les données d'humidité.
Compensation d'humidité de l'air : Le boîtier du capteur est équipé d'un capteur d'humidité de l'air. Une humidité de l'air trop élevée (par exemple pendant la saison des pluies) peut entraîner de la condensation à la surface de la sonde, affectant ainsi la conductivité de l'électrode. L'appareil déterminera s'il convient d'interrompre la mesure ou de corriger les données en fonction des données d'humidité de l'air.
Résumé : La collaboration de principe permet une « surveillance précise sans pilote »
Le principe du capteur solaire de conductivité du sol LoRaWAN repose essentiellement sur une collaboration multi-technologies : la mesure précise des paramètres du sol est assurée par la méthode des électrodes et la technologie FDR ; les problèmes d'alimentation électrique extérieure sont résolus grâce à l'énergie solaire et aux batteries lithium-ion ; la transmission longue distance à faible consommation d'énergie est assurée par le protocole LoRaWAN ; et la fiabilité des données est garantie par un algorithme de compensation d'étalonnage. La coopération harmonieuse de ces quatre modules lui permet d'atteindre son objectif principal : la production continue de données pédologiques de haute qualité sans intervention manuelle après le déploiement, dans des environnements tels que les champs, les vergers et les sols salins et alcalins, fournissant ainsi une base de données pour une gestion précise de l'agriculture intelligente.
