Sauvons les récoltes du gel de printemps

Dans cette présentation, nous allons voir plusieurs aspects de ce projet pilote

Présentation

Au début de chaque saison de croissance, lorsque les feuilles et les bourgeons commencent à émerger, les cultures sont sensibles aux dommages causés par le gel. C’est ce qu’on appelle un gel de rayonnement, dû à l’absence de mélange d’air (vent) près de la surface. Dans des conditions nuageuses et / ou venteuses, les événements de gel par rayonnement ne se produisent pas.

Malheureusement, la surveillance de la température de l’air à elle seule ne suffit pas. L’équilibre d’énergie sur les surfaces physiques peut être différent de celui de l’air sous-jacent. Cela provoque des différences de température. En particulier, lors de nuits calmes et claires, le rayonnement à ondes longues s’échappe vers le ciel beaucoup plus froid, ce qui peut conduire la température des objets bien en dessous de celle de l’air. Une condensation se produit alors et, si elle est suffisamment froide, de la glace (appelée gel radiatif) peut se former à la surface ainsi qu’à l’intérieur de la feuille ou de la fleur.

En gros, il existe deux façons d’estimer la température d’une feuille, d’un bourgeon ou d’une fleur:

  • des modèles de prévision
  • des mesures plus directes

Les modèles de prévision sont basés sur des mesures météorologiques étendues (par exemple, température de l’air, humidité relative, vitesse du vent et rayonnement net). De nombreux réseaux météorologiques agricoles proposent des alertes de gel en fonction de leurs réseaux et de leurs modèles de stations météorologiques.

Pour les zones non couvertes par ces services, ou pour les producteurs qui souhaitant leurs propres informations, trois types de mesures peuvent être utilisés :

  • la température de l’air
  • le rayonnement solaire et
  • la température de surface
  • la vitesse du vent

Ce projet consiste à journaliser ces quatre derniers points et à générer des alarmes lorsque la température des bourgeons s’approche d’un seuil critique, avant que ces derniers ne subissent des dégâts causés par le gel de printemps.

Pour se faire, nous allons utiliser plusieurs méthodes

  • Détection du gel par rayonnement. La sonde utilisée simule à la fois une feuille et un bouton floral dans une seule sonde, fournissant une estimation directe de ces températures
  • Surveillance des températures des bourgeons. Des sondes thermocouple placées à un centimètre du bourgeon
  • Un anémomètre pour mesurer la vitesse et le sens du vent
  • Un pyranomètre, pour mesurer la radiation solaire
  • Un baromètre pour mesurer la température de l’air ambiante, la pression et l’humidité.

Durée du projet

Le projet pilote se déroulera depuis fin février 2021 à fin mai 2021.

Mais les stations ont été progressivement déployées dans les deux vignes dès décembre 2020. Le projet a néanmoins commencé en octobre 2020 afin de préparer le matériel et de le tester sur le terrain.

Présentation du matériel

Application smartphone SMART BUD

Depuis le mois de mars 2021, une application smartphone est disponible pour suivre l’état des cultures et pour recevoir des alarmes quand les températures descendent au-dessous d’un seuil critique. Elle est disponible sur Apple Store et Google Play

Pyranomètre

Marque : Davis Instrument
Réf: 6450

Pyranomètre
Un pyranomètre de Davis Instrument

Un pyranomètre mesure le rayonnement solaire en W/m2.

  • Plages de température : -40°F à 150°F (-40°C à 65°C)
  • Résolution et Unités : 1 W/m2
  • Plage de mesure : 0 à 1 800 W/m2
  • Précision : ±5% à pleine échelle (Référence: Eppley PSP à 1000 W/m2) plus 45 W/m2 par câble additionnel de 100 ‘ (30 m)
  • Dérive : jusqu’à ±2% par an
  • Intervalle de mise à jour : 50 secondes à 1 minute

Anémomètre

Marque: Davis Instrument
réf: 6410

Anémomètre pour mesurer la direction et la vitesse du vent

L’anémomètre Davis (référence: 07911) est conçu pour mesurer à la fois la vitesse et la direction du vent. Le capteur de vitesse du vent utilise un interrupteur magnétique qui se déclenche une fois par tour des coups à vent. La direction du vent est mesurée à l’aide d’un potentiomètre.

  • Plages de température: 40° to +149°F (-40° to +65°C
  • Wind Direction
    • Display Resolution: 16 points (22.5°) on compass rose, 1° in numeric display
    • Précision: ±5°
  • Wind Speed
    • Résolution et unités :mesuré en 1 mph. Les autres unités sont converties de mph et arrondies à 1 km / h, 0,1 m / s ou 1 nœud le plus proche
    • Plage de mesures : 1 to 200 mph, 1 to 173 knots, 0.5 to 89 m/s, 1 to 322 km/h
    • Précision: 2 mph (2 nœuds, 3 km / h, 1 m / s) ou ± 5%

Détecteur de gel par rayonnement

Marque: Apogee Instruments
Réf: SF-110

SF-110
un capteur de température innovant conçu pour imiter les feuilles et les boutons de fleurs / fruits

Les capteurs de température des feuilles et des bourgeons Apogee modèle SF-110 sont conçus pour estimer approximativement les températures des feuilles et des boutons floraux des plantes pour la prévision des événements de gel. Ils sont destinés aux applications dans les champs et les vergers cultivés lorsque la température de l’air est proche du point de congélation et lorsque les mesures de la température de l’air ne sont pas un bon prédicteur de la formation de gel.

Les capteurs de température des feuilles et des bourgeons d’Apogee Instruments SF-110 se composent de deux thermistances de précision, l’une combinée à une feuille simulée et l’autre à un bourgeon simulé, dans un seul boîtier.

Les détecteurs sont résistants aux intempéries et sont conçus pour mesurer en continu la température dans les mêmes conditions environnementales auxquelles les plantes sont exposées

  • Temps d’équilibre : 10s
  • plages de température : -50 to 70 C; 0 to 100 % humidité relative
  • Précision: 0.02°C

Sonde Température des bourgeons

Marque: Maxim Integrated
Modèle: DS18B20

ds18b20
Capteur de température étanche

La sonde DS18B20 étanche mesure en degrés Celsius avec une précision de 9 à 12-bit,-55C à 125C (+ /-0.5C). Chaque capteur possède un numéro unique de 64-bit de série programmé dans ce qui permet un grand nombre de capteurs pour être utilisé sur un bus de données. Le DS18B20 communique via le bus1-Wire.

  • Interface: 1-Wire
  • plages de température -55°C to +125°C
  • Précision: ±0.5°C de -10°C à +85°C

Baromètre

Marque: Bosch
Modèle: BME280

BME280

Le BME280 est un capteur d’humidité spécialement développé pour les applications mobiles et les appareils portables où la taille et la faible consommation d’énergie sont des paramètres de conception clé. Le capteur d’humidité offre un temps de réponse extrêmement rapide et prend donc en charge les exigences de performance pour les applications émergentes telle que la connaissance du contexte et une précision élevée sur une large plage de températures.

  • Plages de fonctionnement
    • Pression: 300…1100 hPa
    • Température: -40…85°C
  • Interface : I2C
  • Humidité
    • Temps de réponse: 1s
    • Précision: ±3%

Présentation des stations

Station “bourgeon”

Cette station contient deux sondes de température. Une placé à 30cm du sol et la deuxième à env. 1,5m du sol.

Station météo

La station météo est équipée d’un anémomètre, d’un pyranomètre et d’un baromètre. Elle va nous permettre de mesurer

  • La vitesse et la direction du vent
  • Le rayonnement solaire
  • La pression atmosphérique, la température de l’air ambiante à env. 3m du sol, l’humidité de l’air
Une station avec un anémomètre, un pyranomètre et un baromètre

La techonolgie

LoRaWAN

LoRaWAN est un protocole de télécommunication permettant la communication à bas débit, par radio, d’objets à faible consommation électrique. Elle communique selon la technologie LoRa et connecté à Internet via des passerelles, participant ainsi à l’Internet des objets (IoT). Ce protocole est utilisé dans le cadre des villes intelligentes, le monitoring industriel ou encore l’agriculture. La technologie de modulation liée à LoRaWAN est LoRa, crée en 2009 par la startup grenobloise Cycléo et racheté par Semtech en 2012. Semtech promeut sa plateforme LoRa grâce à la LoRa Alliance, dont elle fait partie. Le protocole, LoRaWAN sur la couche physique LoRa, permet de connecter des capteurs ou des objets nécessitant une longue autonomie de batterie (comptée en années) et un coût réduit. LoRaWAN est l’acronyme de Long Range Wide-Area Network que l’on peut traduire par « réseau étendu à longue portée ».

schema lorawan

Z-Wave

Z-Wave est un protocole radio conçu pour la domotique (éclairage, chauffage…). Z-Wave communique en utilisant une technologie radio de faible puissance dans la bande de fréquence de 868 MHz ; elle est conçue spécifiquement pour les applications de domotique et ce qu’on appelle l’Habitat communicant.

Pourquoi la domotique?

Initialement, je voulais utiliser ma boite domotique pour questionner la base de donnée en temps réel, et envoyer des alarmes via l’application Telegram. L’avantage de Telegram est que l’envoi des messages ne coûte rien, contrairement aux SMS.

Entre temps, j’ai développé l’application SMART BUD pour Android et IOS, qui génère les alarmes (push notification) sur le smartphone des exploitants. Cette application fonctionne très bien.

De ce fait, l’application Telegram a été mise de côté. Cependant, la domotique reste dans le projet, car une boite domotique pourra être installée chez un exploitant pour générer des alarmes visuelles, comme une sirène, un gyrophare ou le clignotement des lumières d’un domaine.

Déroulement

Présentation du terrain

Le projet est mené grâce à la collaboration du Domaine Les Hutins à Dardagny (GE) et du domaine La Printanière à Avully (GE) qui ont mis à disposition deux parcelles de 1 hectare et 4 hectares. En tout 14 stations ont été déployées dans ces deux parcelles.

Quatre stations “bourgeon” et une station météo ont été installées dans la parcelle de 1 hectare.

4 stations bourgeons et 1 station météo

Sept stations “bourgeon” et une station météo ont été installées dans la parcelle de 4 hectares. Le 30 avril 2021, nous avons retiré 2 stations “bourgeon” pour ne conserver que les stations dans le creux de la parcelle.

7 stations “bourgeons”, 1 station meteo, 1 station qui simule la température du feuillage et d’un bourgeon

Entre le deux parcelles, une passerelle (Gateway) LoRaWAN collectera les données de toutes les stations.

Vue en direction de la passerelle depuis la parcelle de 1 hectare

Le déroulement

Toutes les 15 minutes, les stations mesurent la température à 1cm des bourgeons et à 30 cm et env. 1,5m du sol.

Sur les hauteurs de chaque parcelle, une station météo mesurera la vitesse du vent et le rayonnement solaire grâce à deux sondes de Davis Instrument.

Une station avec un anémomètre, un pyranomètre et un baromètre

Pour compléter les mesures, j’ai acquis un détecteur de gel par rayonnement SF-110 d’Apogee Instrument.

Une passerelle LoRaWAN, autonome en énergie, est donc installée entre les deux parcelles et récolte les mesures envoyées par toutes les stations à tout moment. Elle traite les données et les transmet à un serveur distant pour sauver les données dans une base de données.

Gateway LoRaWAN autonome installée sur une remorque

Situation au 16 avril 2021

Entre les nuits du 7avril et 9 avril 2021, une masse d’air froid polaire accompagné de vent a causé de gros dégâts dans l’arc lémanique. Après trois nuits glaciales allant jusqu’à -8°C dans certains endroits, les pertes s’annoncent énormes. Certaines parcelles approchent 100% de dégâts, principalement dans le canton du Valais où le débourrage et la fleuraison était avancée.

Au matin du 7 avril 2021, le domaine Jean-Noël Devènes (VS) a subi 100% de perte en l’espace de deux heures, malgré tous les efforts effectués pour sauver leurs récoltes.

En France, tôt le jeudi 8 avril 2021, certains viticulteurs bourguignons, tentaient encore de protéger leurs vignes du gel. Pour la troisième nuit consécutive, des gelées importantes ont touché les vignes. Les bougies, les jets d’eau et même parfois les hélicoptères n’ont pas suffit à éviter le gel des bourgeons. Le vignoble d’Arbois (Jura), a été au moins détruit 60% à 90%.

En revanche, les deux vignes où ont été installées les sondes, dans le cadre du projet pilote SMART BUD, ont subi de toutes petites pertes, même si dans certains secteurs, les sondes ont mesuré des températures allant jusqu’à -8°C. Ceci s’explique par différentes raisons.

Smart Bud Situation au 16 avril 2021
Nuits du 7,8 et 9 avril 2021

Premièrement, la taille des vignes a été faite plus tard, et de ce fait les organes végétaux se trouvaient encore dans le stade d’éclatement des écailles à bourgeons, qui permet à la vigne de supporter des températures jusqu’à -8°C. Lors de notre visite de la vigne, nous avons malgré tout constaté des bourgeons gelés.

Mais cette quantité n’est pas signifiante, car lors de l’ébourgeonnage, un tri des bourgeons est effectué afin de préserver un espace entre les bourgeons. Cette étape est cruciale pour que la fleuraison soit aérée et pour que la vigne consacre sa force qu’aux bourgeons sélectionnés, après ce tri. De ce fait, les bourgeons touchés par le gel seront supprimés sans que des pertes ne soient finalement recensées.

Cependant le danger n’est pas écarté, car d’ici la troisième semaine du mois d’avril 2021, un redoux est annoncé ce qui va accélérer la fleuraison des bourgeons pour passer au stade de jeunes pousses vertes, ce qui rendra la vigne plus vulnérable au gel. Sachant encore que l’effet du gel de printemps, principalement le gel radiatif, peut se produire jusqu’au mois de mai. Les exploitants resteront donc aux aguets dans le cas d’un nouveau cas de gel, pour intervenir rapidement en réchauffant les zones avec des bougies aux paraffines.

Même si cette période, soit du 7 au 9 avril 2021, a été malheureusement dévastatrice pour de nombreux arboriculteurs de l’arc lémanique, elle nous a permis de valider le fonctionnement de SMART BUD, par les nombreuses alarmes générées sur nos smartphones. Ce qui est important vu le redoux annoncé et la fleuraison des bourgeons pour ces prochaines semaines

Les sondes SMART BUD installées dans ces deux parcelles, sont là pour les aider à surveiller les températures de leurs bourgeons, en temps réel et d’être immédiatement alarmé quand les températures descendent au-dessous d’un seuil critique. Mais elles ne permettent pas que de mesurer les températures. Grâce à l’application SMART BUD, disponible sur Apple Store et Google Play, ils peuvent aussi connaître la radiation solaire et la vitesse du vent, au niveau des parcelles.Situation au 2-3 mai 2021

Situation au 2-3 mai 2021

Durant la nuit du 2 au 3 mai 2021, les exploitants, qui participent au projet SMART BUD, étaient inquiets suite aux alarmes gel annoncées par Méto Suisse. Initialement, le premier essai de la bougie à pellet connectée devait de se faire à Marchissy (VD), le 3 mai 2021. Mais après avoir discuté avec l’un d’eux, on a finalement fait le test directement dans les deux vignes. L’avantage est que toute l’infrastructure LoRaWAN était déjà en place, alors qu’à Marchissy (VD), j’aurais du tout installer.

Après quelques heures de réflexions et d’hésitations, l’un des exploitant à finalement fait le choix de positionner les bougies au paraffine à 19h, alors que le second a choisi, en cas de besoin, d’allumer des feux à proximité de la parcelle.

Bougie au paraffine
Installation des bougies au paraffine

A 5h du matin, les alarmes générées par les stations installées dans ces vignes, ont fait sonner nos smartphones.

Station 8 durant la nuit de 2 et 3 mai 2021

Un exploitant de la parcelle de 1 hectare, déjà sur place, décide finalement d’allumer les bougies au paraffine alors que l’exploitant de la parcelle de 4 hectares (là ou se situe la bougie à pellet) allume les feux pour faire de la fumée.

Bougies à la paraffine
Bougies à la paraffine

Je profite pour faire un saut afin de vérifier la bougie à pellet et belle surprise, elle est toujours allumée à 6h30

Les améliorations

Station Stevenson

Abri Stevenson
Station météo installée dans un abri Stevenson

Je suis en train de réaliser des stations météo dans des abris Stevenson qui abritera la station météo. Le premier a été installé à Pessy (GE)

Un abri Stevenson désigne un boîtier utilisé en météorologie pour protéger les instruments de mesure contre les précipitations ainsi que les radiations (émissions) directes de chaleur de sources extérieures, tout en continuant à permettre la libre circulation de l’air autour de ces instruments de mesure. L’abri permet de créer, autant que possible, un environnement uniforme en relation avec l’air extérieur.

 

 

La bougie à pellet

Malheureusement, je ne peux pas donner plus d’information pour le moment, mais j’élabore une bougie au pellet qui a été testée et a fonctionné pendant plus de 8 heures, durant la nuit du 2 et 3 mai. J’étudie une nouvelle solution moins encombrante pour faciliter le stockage. J’apporterai des informations complémentaires, dans les semaines qui suivent, sur ma page facebook www.facebook.com/ecosensors

Les stations

Je travaillerai sur un nouveau modèle de circuit imprimé. Aussi, je me pencherai sur un boîtier plus professionnel.

Cette liste est encore non-exhaustive.

Collaboration

Le partage de compétences est indispensable pour optimiser cette application. C’est pourquoi je serai très heureux de partager mes résultats avec des experts qui pourraient compléter et apporter un regard sur le traitement des mesures et sur l’infrastructure

  • Comment faire mieux?
  • Comment ajuster la configuration actuelle pour la prochaine saison?

Pourquoi soutenir ce projet

Je suis constamment à la recherche de financement pour poursuivre et améliorer ce projet. Pour vous donner un exemple de coût pour les sondes de hautes qualités:

  • Davis Pyranomètre : 187 Euro
  • Davis Anemomètre : 155 US
  • Détecteur de gel par rayonnement: Sfr 265
  • Sonde de surface: +/- Sfr 30

Une station avec les sondes de température coût entre Sfr 60.– et Sfr 100 sans compter les heures pour l’assemblage.

Il va falloir que j’investisse encore dans l’achat de panneaux et de batteries solaires pour rentre l’infrastructure totalement autonome en hiver.

J’aimerais encore produire de nouvelle station avec la dernière version de circuit imprimé.

Mais j’aurai principalement besoin d’un financement pour les améliorations pour l’après-projet. C’est à dire après une synthèse et le retour des exploitants ou des intervenants de la branche agricole, pour faire encore mieux.

Vous pouvez nous soutenir depuis la boîte bleue, en haut de cette page, à gauche, ou directement via la plateforme WEMAKEIT.

 

Remerciement

Nous remercions le domaine Bruno Colin pour nous avoir fourni l’image des bougies dans la vigne

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