Projet ruche connectée
Sommaire
Introduction
Membres du projet
Présentation du Sujet
Cahier des Charges
1. Diagramme bête à corne
2. Présentation du projet
3. Contraintes
4. Schéma structurel
5. Diagramme pieuvre
6. Organigramme WBS
7. Organigramme GANTT
8. Organisation des taches
Réalisation du projet
1. Choix des composants
a)choix du réseau
b)choix du micro-contôleur
c)choix du capteur de poids
d)choix des capteurs de température et d’humidité
e)choix de la partie alimentation
2. capteur température et humidité
3. Réseau sigfox
4. Capteurs de poids
5. Réalisation de l’alimentation
6. Réalisation du site web
perspectives d’amélioration
conclusion
codes sources
bibliographie
Introduction
Dans le cadre du projet d’études du DUT Génie Electrique et Informatique Industriel de Mulhouse, dans lequel nous sommes étudiants en première année, nous avons du réaliser un projet lié au domaine de l’électronique et de l’informatique. Ce projet s’est étalé sur la totalité du deuxième semestre et a totalisé un volume horaire encadré de 60 heures. Nous avons été encadrés par différents professeurs du DUT mais aussi des intervenants externe à l’université.
Les enseignants nous ont demandé de choisir le projet que nous voulions réaliser d’après une liste de 14 projet, ayant tous un liens avec notre domaine d’étude au DUT. Une fois ce choix effectué, des groupes de 2 à 6 personnes ont étés créés.
Membres du projet
Pour le projet ruche connectée les enseignants ont décidés d’y affecter deux étudiants de première année
- BEIL Nathan
- HUEBER Maxime
Présentation du Sujet
Notre projet consiste à améliorer une ruche d’abeille en y ajoutant des capteurs pour permettre à un apiculteur d’obtenir différentes informations sur son ruché tel que la température, l’humidité et le poids de la ruche.
Toutes ces améliorations de la ruche ne doivent en aucun cas gêner l’apiculteur dans son travail et doivent permettre à la ruche de rester mobile. Le système doit être autonome.
Le projet pourra également servir de support pédagogique au programme du DUT GEII. Il pourra être repris et amélioré par les futures étudiant du DUT les prochaines années.
I) Cahier des Charges
1. Diagramme bête à corne
Etant donné le fait que notre ruche servira à la fois à un apiculteur mais également aux enseignants du DUT qui vont pouvoir s’en servir comme support complémentaire à leurs cours, nous avons donc réalisé un diagramme pour chacune des différentes utilisations de notre projet.
2. Présentation du projet
Voici un schéma montrant notre idée première pour la réalisation du projet. En jaune la ruche accueillant les abeilles, posée sur une balance permettant de relever son poids. Dans la ruche se trouveraient des capteurs permettant de mesurer la température et l’humidité de la ruche. C’est données seraient alors traitées par un micro-ordinateur puis envoyés par le réseau GSM (réseau des portables). Ces données seraient ensuite récupérés sur internet. Nous pourrions alors les exploiter pour afficher des graphiques montrant les variations du poids, de la température et de l’humidité de la ruche.
Le système serait muni d’un panneau solaire permettant d’alimenter les appareils électriques et donc d’être autonome.
3. Contraintes
Environnemental et énergétique: Notre ruche sera placée en extérieur. Etant donné que nous utilisons des appareils électriques, nous devons nous tourner vers des appareils étanche ou étancheifier notre système pour ne pas avoir de problème en cas de pluie, de température extrême, de neige. De plus, notre système doit être autonome, donc récupérer de l’énergie solaire, il est donc important de bien étudier le ce cas pour que notre système soit fiable et n’ai pas de problème d’alimentation.
-
- budjet: le DUT nous a alloué un budget de 200€
- budjet: le DUT nous a alloué un budget de 200€
Les abeilles: Elles seront en contacte direct avec le système embarqué. Il ne faut donc pas qu’il ne perturbe les abeilles. Nous devrons donc faire attention aux technologies employés, aux ondes que l’on emploiera, aux fréquences utilisées, à ne pas perturber les abeilles en cas de maintenance du système.
délai: le projet comporte plusieurs délais, une présentation orale avec support le 23 mars 2016 et un oral de fin de projet devant un jury en juin 2016.
Technologique: Etant donné que notre système devra être autonome, les appareils utilisés ne devront pas être trop gourmands en énergie et adaptés aux tache qu’on leur aura asservi. Nous devrons donc comparer les différentes technologies existantes et choisir un produit adapté à notre cas.
4. Schéma structurel
Ce schéma est une représentation simplifiée déroulement étape par étape du projet.
- récupération de l’énergie solaire par un panneau solaire permettant de faire fonctionner le micro-contrôleur.
- récupération des données des capteurs de température, de poids et d’humidité par par le micro-contrôleur.
- transmission des données du micro-controleur à l’antenne réseau qui les envoye sur un serveur web.
- récupération et traitement des données grâce a un logiciel de traitement de données.
- affichage des données traitées sous forme de graphique ainsi que les valeurs de la ruche en temps réel sur un site web.
5. Diagramme pieuvre
Le diagramme Pieuvre est composé des fonctions principales (FP) du projet et les contraintes (FC) que nous devrons gérer.
6. Organigramme WBS
7. Organigramme GANTT
Voici le GANTT que nous avons réalisé au début de notre projet:
Nous nous sommes aperçu par la suite que notre premier GANTT ne correspondait pas à la réalité de l’avancement de notre projet, nous avions passé plus de temps sur la phase de recherche ce qui a retardé l’achat des différentes pièces et donc la réalisation de l’ensemble du système. Tout ce temps de recherche nous a permis de bien connaitre notre projet ainsi que les problèmes que nous pouvions rencontrer par la suite, ce qui nous a permis de gagner du temps une fois que nous avions choisi nos composants. Voici donc le GANTT réel:
8. Organisation des taches
Pour nous faciliter le travail, nous avons décidés de nous répartir les taches afin d’être le plus productif possible.
II) Réalisation du projet
1. Choix des composants
a) choix du réseau
Le réseau est un point clé de notre projet, s’il ne fonctionne pas, nous ne pouvons pas envoyer les données sur internet ce qui nous empêche d’afficher les graphiques. Toute fois, pour ne pas perdre définitivement, nous avons décider de rajouter un module mémoire au micro-controleur pour pouvoir récupérer manuellement les données sur la ruche.
Nous avons fait un comparatif des différentes solutions, voici le comparatif effectué sous forme de tableau:
Notre choix s’est arrêté sur le réseau sigfox qui couvre pratiquement toute la plaine d’Alsace et une grande partie de la France. Pour vérifier la couverture de du réseau c’est par ici
Capture d’écran du site sigfox avec en bleu les zones couvertes par le réseau sigfox.
b) choix du micro-contrôleur
Notre premier critère de sélection a été la consommation en énergie des micro-controleurs, nous ne pouvions et n’avions pas besoin d’un appareil trop puissant qui aurait été trop energivore et trop sofisitiqué pour les taches qu’on lui allouerait. Nous nous sommes donc intéressé à deux mico-contrôleurs différents: l’arduino UNO et le raspberry Pi 2. Les voici dans l’ordre de droite à gauche:
Nous les avons ensuite comparés pour retenir celui qui convenait le mieux à notre projet. C’est l’arduino UNO qui nous a paru le plus approprié notamment pour ses entrées/sorties analogiques et sa programmation en langage C.
Mais au moment de faire la commande de notre produit nous nous sommes aperçus qu’il existait plusieurs « copies » de l’arduino UNO proposant chacune d’autres caractéristiques susceptibles de nous intéresser. Nous avons donc fait un comparatif des différents « arduinos », le voici sous forme de tableau:
Nous avons retenu le modèle Akeru qui est constitué d’une base d’arduino UNO sur laquelle a été ajouté une antenne réseau qui nous permettra d’envoyer les données de la ruche sur internet via le réseau que nous avons choisi auparavant, le réseau sigfox. Nous avons compensé le coût du module Akeru par la fait que nous n’avons pas a acheter d’antenne réseau et que le produit est livré avec une plate-forme de stockage actoboard qui nous permettra de récupérer les données directement sur internet sans avoir à faire les démarches nécessaires pour obtenir un serveur nécessaire au stocker des données.
c) choix du capteur de poids
Le poids de la ruche est une donnée importante pour l’apiculteur car il permet de savoir si le rucher est en bonne santé et de savoir quand récolter le miel. En hiver il permet de surveiller les réserves de nourriture sont suffisantes. Notre plus grand critère est donc la sensibilité des capteurs que nous allons utiliser. A cela s’ajoute les conditions climatiques. En effet les matériaux utilisés sont essentiellement en métal et réagissent en fonction de la température.
Une fois tous ces critères pris en compte, il nous restait deux possibilités:
- Une jauge de contrainte
La jauge de contrainte a été notre première idée. D’autres projets de ruche connecté ont déjà utilisé ce système. Il est fiable et ne dérive pas en cas de températures extrêmes.
Nous avons estimé le poids de la ruche à maximum 100kg ce qui nous permis de chercher une jauge de contrainte qui rentre dans nos critères à savoir une plage de mesure de 0 à 100kg et un fonctionnement optimal du capteur pour des température allant de -10 à 40 degrés Celsius. Mais le critère le plus important reste le sensibilité que nous avons estimé à 200g près.
notre premier choix était donc un capteur de 100kg au prix de 60€ auxquels il faudra rajouter une dizaine d’euros pour amplifier le signal électrique à la sortie du capteur de force.
- Des ressorts de compression
Notre autre solution était d’utiliser des ressorts. Le principe consiste à utiliser 4 ressorts de compression et de mesurer l’écrasement du système en fonction du poids exercé comme sur le schéma si dessous. Pour mesurer cette variation nous pensions utiliser un capteur ultrason, mais après quelques recherches nous mou sommes rendu compte que les ondes ultrasonores sont un répulsif pour les abeilles, on a donc répété l’expérience avec un capteur infrarouge, le Sharp GP2Y0A.
Les tests ont montré que le capteur infrarouge permettait bien de mesurer une distance, il fallait tout de fois faire une moyenne de 1000 valeurs pour obtenir une mesure très proche du réel.
Il a également fallu choisir les ressorts. Pour observer une variation de la distance planche/capteur, il nous fallait des ressorts d’une longueur à vide de 20cm, et d’une plage de compression d’une dizaine de centimètres pour une charge de 120kg. Pour comparer les différents ressorts, nous avons placés leurs caractéristiques dans un tableau excel:
le ressort que nous avons retenu pour notre projet a une longeur à vide de 150mm, 100mm de diamètre pour la stabilité et un couple de 2,9N/mm, il est en vente ici.
- choix du capteur de poids: après réflexion, nous n’avions pas assez de temps pour prendre les ressorts car le délai de livraison était bien trop long et nous avions encore beaucoup de travail devant nous. Les capteurs de force que nous avons finalement utilisé sont 4 jauges de contrainte de 50kg de charge chacune placées comme auraient du l’être les ressorts. Nous avons également du acheter un amplificateur de signal pour amplifier le signal de sortie des jauges.
d) choix des capteurs température et humidité
Les capteurs de températures et d’humidité sont autant important que le poids de la ruche. Ils permettent de connaitre la santé du ruché, savoir si l’activité des abeilles est importante ou non. De plus, les capteurs placé dans la ruche seront en contacte direct avec les abeilles et les capteurs extérieurs seront soumis aux conditions météorologiques. Ils doivent donc être étanche, ne pas gêner les abeilles ni êtres placés à des endroits susceptibles d’être recouverts de miel, ce qui fausserait les valeurs obtenues.
A cela s’est ajouté un autre problème. Le micro-controleur ne peux pas différentier 2 capteurs identiques, et comme il nous faut un capteur pour mesurer l’environnement interne de la ruche et l’environnement externe, nous devrons choisir deux capteurs différents qui on des caractéristiques similaires pour ne pas fausser les valeurs finales.
Nos critères de sélection sont de -20 à 40 degrés Celsius et une précision de 1% pour l’humidité.
En faisant des recherches sur les capteurs, nous nous sommes aperçu qu’il existait des capteurs qui fassent température et humidité, ce qui nous permet de passer de 4 à 2 capteurs, donc moins de fils et des économies. Nous avons retenu les capteurs SHT75 et SHT11.
les capteurs SHT11 et SHT75 sont tous les deux étanches et ont des plages de mesure de -40 à 125 degrés Celsius (+-1degré) et de 0 à 100% pour l’humidité (+-1%).
e) choix de la partie alimentation
- Consommation des composants
Pour mieux choisir l’alimentation, nous avons préalablement fait le calcul de la consommation de tous les composants:
Nous sommes arrivé à la conclusion qu’une batterie de 9Volts était suffisant.
- Choix de la batterie
Pour l’ampérage, notre système embarqué consomme au maximum près de 200mA/h. Sachant que l’Akeru consomme réellement de l’énergie lors de l’émission des données vers le réseau sigfox, avons estimé une consommation moyenne aux alentour des 100mA/h. Nous avons donc opté pour une batterie de 2000mA de 9Volts.
- Choix du panneau solaire
Pour des raisons économiques, nous avons prit un panneau solaire que nous avons récupéré d’une lampe de jardin. Ce panneau solaire peut délivrer une tension maximale de 5Volts.
Nous nous sommes tout de même intéressé à l’ensoleillement de l’endroit ou sera installé la ruche pour savoir si notre panneau solaire serait suffisant ou non pour alimenter correctement le système et permettre de ne pas se retrouver sans énergie lors de la nuit.
moyenne des données météorologiques de Mulhouse entre 1991 et 2010
La moyenne la plus basse étant de 55h d’ensoleillement dans le mois, cela nous ramène à environ 2h d’ensoleillement par jour. Avec un panneau solaire d’une puissance de 10Wc/h et un courant de 12Volts, nous produirions 10/12 soit 833mA/h. Il nous faudrait donc près de 2h30 pour recharger entièrement une batterie de 2000mA complètement déchargée.
2. capteurs température humidité
Les deux capteurs de température et d’humidité SHT 11 et SHT 75 ont étés reliés à l’akeru sur les ports numériques.
Nous avons choisi de faire un relevé toutes les 30 minutes. Il a également fallu prendre en compte le nombres de messages que nous pouvons envoyer en une journée avec le réseau sigfox.
Voici des mesures de la température et de l’humidité relevés du logiciel de l’akeru. Ces données seront par la suite directement envoyé sur internet via le réseau sigfox.
3. réseau sigfox
Le réseau sigfox utilise son propre réseau cellulaire de transmission de données. Pour l’utiliser, nous avons demandé à l’akeru d’envoyer les données des différents capteurs sur le réseau via l’antenne du module Akeru.
L’akeru est livré avec un code qui permet de créer un compte sur le site actoboard. Ce site récupère les données envoyés par sigfox et nous permet ensuite de les exploiter en les redirigent sur notre site web.
Capture d’écran du site actoboard lors des tests avec un capteur température humidité.
4. capteurs de poids
Pour une question de stabilité et de fiabilité, nous avons choisi de placer 4 capteurs de masse identiques. Chaque capteur supporte une charge de 50kg.
Pour ne pas que les mesures soient faussées par un déséquilibre, nous avons créé un cadre au tout autour de la ruche tout en veillant que les abeilles puissent tout de même entrer et sortir de la ruche sans être gêné.
schémas de l’installation des capteurs de force avec la ruche (vue de coté et de dessus sans la ruche)
5. réalisation de l’alimentation
6. réalisation du site web
Perspectives d’amélioration
Conclusion
programmes sources
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