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Nov 09, 2023

Pour prévoir les changements environnementaux, des chercheurs créent une nouvelle génération de réseaux de capteurs sans fil

16 janvier 2023 Ce

16 janvier 2023

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par Andrew Nellis, Université de Chicago

L'"Internet des objets", un réseau croissant d'appareils interconnectés - allant des ampoules intelligentes aux robots d'entrepôt - est présenté comme un pilier central de la "quatrième révolution industrielle" en raison de la façon dont il améliore considérablement la connectivité et le partage d'informations.

Imaginez maintenant que cette toile s'étend au-delà des bâtiments et dans le paysage, formant un réseau sensoriel qui surveille l'air, le sol et l'eau pour détecter la pollution et la teneur en nutriments. Un tel réseau est l'objectif de Supratik Guha, professeur à la Pritzker School of Molecular Engineering (PME) de l'Université de Chicago et conseiller principal au Laboratoire national d'Argonne.

Lui et son équipe développent des "réseaux de capteurs sans fil" - des réseaux de capteurs qui surveillent des étendues de terre et d'eau d'un acre pour suivre la pollution, les niveaux d'humidité et la composition chimique. Ces systèmes, estime Guha, débloqueront des données indispensables sur la composition en évolution rapide de la planète.

"Ces réseaux de capteurs fourniront des données haute densité en temps réel qui sont essentielles pour créer une image précise d'un écosystème", a déclaré Guha. "Nous voulons voir comment les rivières sont polluées, quelle quantité d'engrais est éliminée du sol. Avec de meilleures données, les écologistes terrestres peuvent développer de meilleurs modèles de cycle de l'azote et du dioxyde de carbone ; les agriculteurs peuvent utiliser exactement la bonne quantité d'eau au bon moment. temps."

Dans l'agriculture, de petits points de données peuvent avoir des implications considérables. La teneur en eau volumétrique - la quantité d'eau absorbée dans une parcelle de terre particulière - détermine si un agriculteur irrigue son champ aujourd'hui ou le reporte. Trop peu d'eau et les plantes peuvent se flétrir. Trop d'eau exacerbe l'érosion des sols, gaspille une ressource de plus en plus rare et contamine l'approvisionnement en aval.

La même chose peut être dite pour l'écologie terrestre : les données sont reines. Mais des données de qualité sur les changements environnementaux à court terme ont toujours été difficiles à obtenir jusqu'à récemment.

Capitalisant sur l'avènement de capteurs moins coûteux et de systèmes sans fil à faible puissance tels que Sigfox, le professeur Guha et son équipe ont créé trois réseaux de capteurs environnementaux distincts sous le nom de projet Thoreau (d'après le célèbre naturaliste Henry David Thoreau). Un de ces réseaux surveille la qualité de l'eau dans plusieurs rivières indiennes, un autre enregistre l'humidité du sol autour du campus de l'Université de Chicago, tandis qu'un troisième collecte des informations sur les sols toute l'année dans une ferme pilote près du Fermi National Laboratory à Batavia, dans l'Illinois.

Doctorat de quatrième année. étudiant Gregory Grant, qui travaille sur le projet, explique son potentiel plus large.

"En déployant discrètement des capteurs à travers un champ ou, disons, une forêt nationale ou une réserve naturelle, nous pouvons surveiller la qualité de l'eau ou la température du sol", a déclaré Grant. "Dans un endroit comme la Californie, c'est un outil puissant pour surveiller les incendies de forêt ou aider à la gestion agricole. Nous pouvons prendre des décisions éclairées sur les dangers, l'utilisation de l'eau, le ruissellement des engrais, la pollution - nous apprenons tellement de choses."

La technologie des capteurs évolue rapidement et les composants particuliers utilisés dans chacun des réseaux Thoreau ont varié au fil du temps. Le réseau de la ferme Fermi (Thoreau 2.0) utilise un capteur de sol relativement peu coûteux connecté à un circuit imprimé sous boîtier plastique. Ces "nœuds" ressemblent à un petit smartphone sans écran avec une antenne à pointes s'étendant d'une extrémité.

Chacun des 23 nœuds de la ferme est enterré à un pied et demi sous la surface où ils détectent la teneur en eau volumétrique, la température et la conductivité électrique du sol. Quatre batteries lithium-ion AA alimentent les nœuds, leur donnant une durée de vie opérationnelle d'environ quatre ans et demi.

La clé de la longévité des capteurs est leur utilisation de matériel de réseau étendu à faible puissance (LPWAN), une technologie qui transmet de petites quantités de données à des fréquences plus basses, parfois appelées réseaux «zéro-G».

Une fois enterrés, les nœuds collectent des informations toutes les trente minutes, les relayant à une station de base solaire de 30 pieds de haut située au milieu du champ, qui à son tour transmet les informations au laboratoire de Guha. Une fois traitées, les données sont affichées publiquement sur la page Web du projet.

Le réseau est en service depuis 2019 et n'a nécessité pratiquement aucun entretien, démontrant qu'il peut fonctionner pendant des années sans interférer avec les opérations agricoles quotidiennes.

Le premier réseau de capteurs environnementaux du professeur Guha pour surveiller la pollution des rivières a été développé en 2017 en Inde. Depuis lors, lui et son équipe ont rejoint un effort de collaboration mondial pour appliquer une technologie de pointe à la durabilité environnementale et à l'agriculture de pointe.

La NSF et l'USDA soutiennent le réseau pilote dans le cadre de l'Institut d'intelligence artificielle pour la résilience, la gestion et la durabilité agricoles futures (AIFARMS). AIFARMS est un organisme multi-institutionnel qui fait progresser l'IA fondamentale pour relever les défis importants auxquels l'agriculture mondiale est confrontée.

Cet esprit de collaboration, dit Guha, est essentiel pour s'attaquer à des problèmes aussi massifs et l'une des raisons pour lesquelles il a été attiré par UChicago.

"L'une des principales raisons pour lesquelles je suis venu à l'Université de Chicago était d'explorer différentes activités et de travailler avec ce réseau d'experts", a déclaré Guha. "En fait, mon projet sur l'eau a commencé par une collaboration avec Anup Malani de la UChicago Law School, puis s'est développé via des interactions avec l'Energy Policy Institute (EPIC) et le bureau de Delhi de l'Université de Chicago. Les problèmes sont multiformes. - des considérations économiques, des considérations politiques, des considérations réglementaires, des considérations commerciales - pour les problèmes environnementaux complexes d'aujourd'hui, vous avez besoin de ce réseau pour avoir un impact réel."

En ce qui concerne l'avenir, Guha vise à réduire encore plus le coût de ses capteurs tout en simplifiant le système dans son ensemble.

"Les réseaux de capteurs ont parcouru un long chemin, dans la mesure où vous pouvez assembler un système en intégrant des composants facilement disponibles et standardisés", a déclaré Guha. "Les recherches futures dans ce domaine viseront à rendre les réseaux abordables afin qu'ils puissent être déployés à grande échelle, à l'échelle mondiale. Nous travaillons également au développement de nouveaux capteurs capables de mesurer facilement de nombreux paramètres que nous ne pouvons pas mesurer de manière fiable aujourd'hui : tels que la teneur en nitrate dans le sol et le contenu microbien dans l'eau et le sol.

Fourni par l'Université de Chicago