mesure et métrologie

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    016

    LE CAHIER DES TECHNIQUES

    DE LINRA

    2016

    Mesure et Mtrologie Pour une recherche innovante et fiable

    Institut National de la Recherche Agronomique - 147 rue de lUniversit - F-75338 Paris Cedex 07

  • MESURE ET MTROLOGIEPour une recherche innovante et fiable

    Numro spcial 2016

    Coordonnatrice : Dalila Mohrath

    C A H I E R D E S T E C H N I Q U E S D E L I N R A / S P C I A L M E S U R E E T M T R O L O G I E

  • Directeur de la publication : G. Jacquin ; Rdacteur en Chef : Michel BariteauCoordonnatrice : Dalila Mohrath

    Comit de relecture : Patrick Gross, Jacques Maratray, Christophe Montaurier, Robert PujolSecrtaire de Rdaction : Dominique Montagu-Ledoux

    Composition et impression : Jouve INRA, 2016 - ISSN 0762 7339 - https://www.inra.fr/cahier_des_techniques

    Couverture : Dalila Mohrath

    Annexe : photos J2M 2012, J2M 2014

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    Avantpropos

    Une fois de plus, le Cahier des Techniques donne voir des ralisations originales issues de nos Units. Ces travaux traduisent bien le dynamisme des quipes dans le domaine du dveloppement des mthodes et des outils exprimentaux de mesure, ainsi que des logiciels au service des diffrentes communauts de recherche.

    La richesse des sujets abords est bien le reflet de la pluridisciplinarit de notre Institut et nous tenons souligner limportance aussi bien des Journes de la Mesure et de la Mtrologie que celle du Cahier des Techniques de lINRA, pour favoriser les changes entre communauts. Ce partage est un atout important que lINRA doit favoriser car il est souvent source dinventions originales. Tous ces dveloppements sont aussi potentiellement des projets qui peuvent aller jusqu linnovation.

    Nous ne pouvons que vous inciter poursuivre vos travaux et nous vous assurons de notre soutien dans vos initiatives.

    Monique AxelosChef du Dpartement scientifique Caractrisation et Elaboration des produits issus de lagriculture

    et

    Guy RichardChef du Dpartement scientifique Environnement et Agronomie

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    Dans lensemble des typologies dexprimentations menes au sein de lINRA, seront traits ici quelques exemples de dispositifs exprimentaux (capteurs, dispositifs complets ou mthodologies) adapts aux essais in situ, cestdire aux conditions relles du milieu.

    Les contraintes de la mesure tout terrain conduisent les dveloppeurs devoir prendre en considration de multiples facteurs environnementaux, au mieux vaguement prvisibles, mais plus frquemment de type alatoire.

    Les dveloppeurs mnent donc une rflexion et des tests associs, afin dadapter les capteurs et les systmes de mesure la diversit des milieux dans lesquels ils oprent : milieux souvent hostiles envers le matriel de mesure, voire parfois destructeur, mais dans tous les cas, trs perturbateurs pour les mesures.

    Quil sagisse des amplitudes de tempratures ncessitant une compensation lectronique efficace des drives du signal lies cette grandeur, des priodes dhumidit saturante, de la pluie, des risques de crues, des mesures dans les cours deau imposant une tanchit prouve de tous les matriels soumis ces vnements, de lacidit dun suc gastrique ncessitant lutilisation de matriaux robustes, ou des mouvements incontrlables dun animal quip dune instrumentation embarque, lacquisition tout terrain est soumise rude preuve et requiert une approche dexpert.

    Lexpertise de ceux qui connaissent les milieux (naturels ou cultivs) concerns par ces exprimentations (fort, cours deau, vigne, champs, animaux sauvages ou dlevage, etc.) revt, particulirement ici, un atout vident pour dfinir un cahier des charges adquat, pertinent et raisonnable des dispositifs de mesure, ainsi que pour adapter et intgrer ceuxci lenvironnement quils contribueront caractriser.

    Les articles de ce chapitre illustrent une partie de la diversit des problmatiques rencontres et solutionnes, que ce soit au champ, en fort, en rivire ou sur lhumain.

    / Chapitre 1 /Dveloppement et mise au point

    de dispositifs exprimentaux ddis aux mesures en conditions relles

    C A H I E R D E S T E C H N I Q U E S D E L I N R A / S P C I A L M E S U R E E T M T R O L O G I E

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    Mesure de dbit sur un lysimtre en milieu agricole sol non remani Franck Tison1, Jean Claude Gaudu, Ren Pallut, Stphane Ruy, Claude Doussan, Liliana Di Pitro

    Rsum. Dans cet article, nous dcrivons la conception, la ralisation et linstallation dun systme de mesure de dbit des flux deau surface libre, sur un lysimtre sol non remani implant sur une parcelle agricole. Le systme est compos de deux dbitmtres darchitecture diffrente, destins deux gammes de dbit corres-pondant des intensits de pluie faibles et fortes, et dun dispositif dtalonnage. Nous prsentons la procdure dtalonnage et nous tudions la propagation des erreurs sur la mesure. Nous prsentons aussi, une premire analyse des donnes obtenues sur un chantillon choisi dpisodes de pluie drainage . Lobjectif de lins-tallation est de fournir des mesures des flux de drainage de faible forte intensit et des pas de temps courts. En particulier, il permet destimer la contribution des coulements prfrentiels au drainage suite des pisodes pluvieux. Le systme permet de mesurer la variabilit temporelle du flux de drainage, et de dtecter les flux temps de perce courts. Cet article est destin aux ingnieurs et techniciens confronts cette problmatique destimation des coulements.

    Mots cls : mesure de dbit, lysimtre, drainage, sol non remani, talonnage, gnrateur de dbit talon

    IntroductionContexte gnral

    Les eaux souterraines reprsentent des ressources en eau importantes largement exploites pour lalimentation en eau potable pour les industries, ou pour lirrigation des cultures. En France, les prlvements annuels dans les aquifres reprsentent un volume de 6,32 km3, soit 19 % des prlvements totaux (Margat, 2001). Les pratiques agricoles peuvent altrer la qualit des eaux souterraines : les eaux qui percolent dans le sol en dessous de la zone racinaire peuvent entraner des lments (nitrates, pesticides, mtaux) qui vont polluer les nappes souterraines. Llaboration et la mise en uvre de pratiques agricoles qui minimisent les risques de pollution passent par une meilleure comprhension de lcoulement de leau dans les sols. Leau scoule dans la porosit du sol des vitesses trs variables. On distingue les coulements rapides dits prfrentiels dans les pores de grande taille ou macropores (fissures de retrait, anciens passages de racine, trous de vers de terre, porosit cre par le labour) des coulements plus lents dans les micropores des sols. Ces coulements, et leur part relative dans le flux de drainage total, sont encore mal connus et font lobjet de nombreuses recherches (e.g. Bogner, 2004 ; Garel, 2007 ; Chapelet et al., 2012). Dans le cadre de ces travaux, la mesure directe des diffrents types de flux de drainage reprsente un dfi technique majeur, la mesure devant porter sur un volume de sol important et tre adapte une trs large gamme de dbit.

    LUMR EMMAH (Environnement mditerranen et modlisation des agrohydrosystmes) dispose dun site atelier, situ sur le Centre INRA PACA Avignon, ddi ltude et au suivi de la dynamique de leau dans les sols et les aquifres. Il est destin plus particulirement la caractrisation et la prdiction des coulements prfrentiels de leau et du transport rapide de composs polluants, en phase liquide et/ou collodale, en relation avec les tats de surface, la structure du sol et celle de la zone non sature profonde. Ce site dispose dun lysimtre de grande taille (longueur : 2,60 m, largeur : 2,00 m et profondeur : 2,40 m) construit autour dun chantillon de sol non remani ; il est quip de deux ranges de drains pour intercepter les eaux scoulant (un dispositif mihauteur li aux coulements prfrentiels et un dispositif au fond du lysimtre donnant le drainage total). Ces

    1. INRA, UMR 1114 EMMAH, F84914 Avignon cedex 9, [email protected]

    mailto:[email protected]

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    caractristiques font de ce lysimtre un ouvrage remarquable qui peut tre assimil un modle rduit de parcelle. Son instrumentation permanente permet le suivi des produits dans le sol, dans la zone non sature et de ceux qui devraient rejoindre la nappe, en fonction de lvolution saisonnire du milieu et des vnements climatiques.

    Les attentes et les contraintes

    En 2005, les mesures de dbit taient excutes manuellement, par deux exprimentateurs. Il tait ncessaire dautomatiser ces mesures et leur enregistrement sur les deux ranges de drains de faon prendre en compte tous les vnements pluvieux. Les gammes de mesure des deux dbitmtres concevoir taient de 0 150 L/h pour les drains suprieurs et de 0 450 L/h pour les drains infrieurs, avec la ncessit de dtecter le dbut des coulements et de les enregistrer tout au long de lpisode de drainage. Enfin, comme tout appareil de mesure, un dispositif dtalonnage devait permettre la vrification et le calibrage des instruments.

    Etat de lart

    Aucun dispositif industriel ne permettait de mesurer les dbits sortants sur les deux sries de drains du lysimtre. Il tait donc ncessaire de concevoir deux instruments capables de ragir un petit volume deau pour mesurer le plus finement possible de petits dbits.

    Cependant, il existe de nombreux types de dbitmtre industriel : les dbitmtres volumiques laminaires, dbitmtres flotteur, dbitmtres turbine, dbitmtres engrenage sont des instruments qui permettent des mesures de dbit volumique ; les dbitmtres ultra son, dbitmtres massiques laminaires, dbitmtres lectromagntiques, dbitmtres massiques thermiques, dbitmtres massiques Coriolis sont des instruments qui permettent des mesures de dbit massiques. Les uns comme les autres ncessitent une canalisation en eau pour raliser une mesure fiable.

    Dautres mthodes et dispositifs permettent la mesure de dbit en surface libre. Le seuil jaugeur, le dversoir et le canal venturi sont bass sur le mme principe : une section artificielle est implante dans lcoulement. Cela permet dobtenir un rgime critique o le dbit est en relation avec la hauteur deau audessus du seuil. Ces dispositifs sont adapts pour la mesure de dbit sur des cours deau. La mesure au voisinage du zro nest pas possible.

    La mthode lectromagntique, base sur le principe de Faraday, consiste implanter dans lcoulement une bobine dinduction pour renforcer le champ magntique et deux lectrodes de chaque ct de lcoulement deau. Cette mthode, adapte des mesures de dbit sur des canaux, rivires, est relativement imprcise, et nest donc pas adapte pour le lysimtre.

    La mthode volumique consiste recueillir dans un rcipient un volume deau pendant un temps donn. Cette mthode, qui est relativement simple mettre en uvre est la mthode que nous avons choisie et que nous avons automatise.

    Solutions choisies

    Les solutions proposes et mises en uvre sont les suivantes :99 dbitmtre 150 L/h : le principe consiste en lutilisation dune bouteille o une fuite calibre est

    amnage. Cette bouteille est installe sur une balance lectronique quipe de jauges de contrainte KERN (DE 60K5N), et un auget basculeur dune capacit de 20 g comptabilise le volume deau vacu par la fuite. Llectronique embarque mesure le temps entre deux basculements dauget, et lit la mesure de masse sur la balance. Un ordinateur interroge rgulirement llectronique embarque pour sauvegarder les mesures sur le disque dur de lordinateur ;

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    99 dbitmtre 450 L/h : lobjectif est lextension de la plage de mesure. La bouteille limitant la dure de fonctionnement pleine chelle est supprime. Nous avons fait le choix de mettre en cascade plusieurs augets basculants, de taille croissante pour mesurer le dbit du flux deau qui circule dans lappareil, en le divisant par gamme de dbit. Llectronique embarque mesure la priode entre chaque basculement. Le mme ordinateur interroge llectronique embarque pour sauvegarder les mesures sur le disque dur.

    Description du lysimtreUn lysimtre est un dispositif qui permet dtudier les interactions entre leau, le sol et les plantes. Il est classiquement utilis pour estimer lvapotranspiration par mesure (i) de la pluie incidente, (ii) du drainage et (iii) de la teneur en eau du profil de sol ou en pesant le bloc de sol. Le lysimtre de lUMR EMMAH dAvignon nest pas pesable. Cest un ouvrage en bton dune longueur de 2,60 m et dune largeur de 2,00 m sur une hauteur de 2,40 m (Figures 1 et 2). Il a t construit autour dun chantillon de sol non remani pour ne pas perturber la structure du sol en relation avec ltude des coulements prfrentiels, ce qui est sa principale caractristique. La base du lysimtre est isole de la nappe par une srie de palplanches en PVC. Trentequatre drains, disposs en deux sries, ont t installs pour collecter les eaux de drainage.

    Figure 1. Schma gnral du lysimtre.

    Figure 2. Photographie de la faade ouest du lysimtre (photo : EMMAH).

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    La vue synthtique sur la Figure 3 permet de dcouvrir la structure interne de louvrage. Une structure mcanosoude en IPN rigidifie lensemble de louvrage. Quatre murs en bton projet maintiennent le monolithe de sol sa place. Une gomembrane en PVC isole le sol du bton. Des palplanches interceptent le flux deau quune srie de drains vacue vers lextrieur. Une autre srie de drains placs audessus des premiers est prvue pour intercepter les flux prfrentiels (Figure 4). Une paire de collecteurs achemine les eaux draines vers les dbitmtres.

    Figure 3. Schma de la structure interne du lysimtre.

    Figure 4. Photographie des drains avant linstallation des dbitmtres (photo : EMMAH).

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    Les dispositifs de mesure

    Le dbitmtre 150 L/h

    Organisation gnrale

    Le dbitmtre connect aux drains suprieurs est conu pour mesurer des dbits couvrant une plage de mesure allant de 0 150 L/h soit un quivalent de prcipitations de 0 31 mm/h. Son schma gnral est donn Figure 5.

    Figure 5. Schma gnral du dbitmtre 150 L/h.

    Leau draine scoule dans le collecteur et tombe dans la bouteille. Cette bouteille est munie dun ajutage qui calibre la fuite vers le pluviomtre auget dune capacit de 20 g dispos dessous. Lauget dclenche la mise en fonction du dbitmtre lors de son premier basculement. Les basculements suivants caractrisent la mesure du dbit au niveau de lauget. La mise en fonction du dbitmtre actionne la commande du vrin lectrique qui dpose la bouteille sur la balance. La mesure du dbit via la balance est calcule en sommant les variations de masse sur un intervalle de temps dune minute. Pour obtenir la mesure de dbit de ce dispositif, on ajoute le dbit mesur au niveau de la balance celui mesur au niveau de lauget. Toutes les minutes, un ordinateur connect au port srie du dbitmtre rcupre les mesures mmorises et les enregistre sur le disque dur. Si le dbitmtre est en veille, lordinateur vrifie le bon fonctionnement de linstallation.

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    Principe de fonctionnement du dbitmtre

    Figure 6. Organisation des fonctions sur la carte lectronique du dbitmtre 150 L/h.

    La Figure 6 reprsente lorganisation des fonctions mises en uvre sur la carte lectronique du dbitmtre. Un microcontrleur PIC 18F4620 gre son fonctionnement : son programme a t dvelopp laide de la plateforme MPLAB et du compilateur C18 de Microchip. Cette carte est connecte :99 un ordinateur sous Windows XP. Le programme crit avec la plateforme LabView permet, via un port

    RS232, de configurer le dbitmtre, de commander certaines fonctions, de rapatrier les mesures et de les enregistrer sur le disque dur. Ce programme permet de grer les deux dbitmtres ;99 une balance munie dun port RS232 pour mesurer la masse de la bouteille ; 99 un contact du pluviomtre auget basculeur. A chaque fois quun auget est plein (ici 20 g), il bascule

    et un contact se ferme fugitivement.

    Le dbitmtre est en mesure de fournir une mesure un pas de temps paramtrable, dfini par dfaut 1 min.

    Les fonctions mises en uvre dans le microcontrleur sont dcrites cidessous.99 Lhorloge. La fonction de mesure de temps est assure par le timer programmable du microcontrleur.

    Celuici est programm pour gnrer une interruption tous les diximes de seconde. Si la mesure est en cours, un compteur gnre la seconde, et un autre compteur gnre la minute. La seconde est utilise entre autre pour laffichage. La minute est utilise pour dfinir le cadencement de la mise en disponibilit des rsultats, et participe la dfinition de lhorodatage. 99 Les modes de fonctionnement. La carte lectronique permet deux modes de fonctionnement : le

    mode Veille , et le mode Mesure .9 Le mode Veille est le mode de dmarrage du dbitmtre. Le timer programmable est toujours

    actif, mais les compteurs sont larrt. Le vrin est en position haute (la bouteille ne repose pas sur la balance). Le systme qui analyse la rception est actif : le dbitmtre rpond aux sollicitations de lordinateur. Le vrin peut tre command, les constantes internes peuvent tre reprogrammes, et si lordinateur demande un tlchargement des donnes, le dbitmtre rpond quil est en veille et que le tableau contenant les donnes est vide. Cette fonctionnalit permet de sassurer que le dbitmtre fonctionne toujours.

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    9 Le mode Mesure est le mode de fonctionnement pendant lequel la mesure est en cours. Le dbitmtre passe du mode Veille au mode Mesure grce un basculement dauget. Ds cet instant, des compteurs sont mis en fonction en mme temps que la trame de linformation est mise en forme.

    9 Le compteur Priode totalise les interruptions du timer programmable.9 Le compteur Nombre de basculements totalise le nombre de basculements de

    lauget pendant une minute. Deux cas peuvent se produire :9 la priode entre deux basculements dauget est infrieure une minute : le compteur

    de priode nest pas remis zro et le compteur du nombre de basculements totalise les basculements dauget. Au niveau de laffichage, la moyenne de la priode sur la minute coule est affiche. Les contenus des compteurs sont mmoriss dans la trame de la ligne qui sera enregistre dans lordinateur ;9 la priode entre deux basculements dauget est suprieure une minute : si une

    mesure est disponible dans le tableau Rsultats, elle est transfre dans lordinateur. Si le tableau est vide, une chane de caractres est mise vers lordinateur signifiant quune mesure est en cours, et quelle sera sans doute disponible lors de la prochaine minute. Si la priode dpasse une valeur limite, paramtre par dfaut 16 min, le dbitmtre est mis en veille.

    9 La mise en forme de la trame : lorsquune mesure est disponible, un horodatage (nombre de jours, nombre dheures et nombre de minutes de fonctionnement) dbute la trame. Le champ suivant est la priode entre deux basculements dauget, suivi du nombre de basculements dauget. La trame se termine par la masse mesure par la balance. Tous les champs sont spars par un pointvirgule. A titre dillustration, voici un extrait de fichier de mesure de ce dbitmtre :

    0J0:0:0; ;0;* Dpart mesure * // Dbut du fichier : tous les compteurs sont zro* Nacelle Basse * // Les commentaires sont encadrs par des toiles (*)* Tableau de donnes vide * // Fin de rponse du dbitmtre quand le tableau est vide* Mesure en cours * // Quand lordinateur interroge le dbitmtre, la mesure est * Mesure en cours * // en cours, mais pas encore disponible 0J0:3:0; 1663; 1; 9.215 kg // premire mesure disponible : un seul basculement dauget* Tableau de donnes vide * // et priode de 166,3 secondes* Mesure en cours *0J0:46:0; 684; 4; 9.245 kg // dans la minute prcdente, il y a eu 4 basculements * Tableau de donnes vide * // daugets et les priodes cumules sont de 68,4 secondes 0J0:47:0; 527; 3; 9.245 kg // leau commence saccumuler dans la bouteille* Tableau de donnes vide * 0J0:48:0; 679; 4; 9.245 kg* Tableau de donnes vide *0J8:16:0; 9229; 1; 9.245 kg* Tableau de donnes vide ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours *

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    * Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours ** Mesure en cours *0J8:31:48; ; ; * En veille * // Au bout de 16 min dinactivit, le dbitmtre se met en * Nacelle Haute * // veille. La nacelle est replace en position haute* Tableau de donnes vide * // Le tableau qui contient les donnes est vide* En veille : Dbit non mesurable * // Le dbitmtre est en veille, mais il rpond la demande de* Tableau de donnes vide * // lordinateur

    9 Le stockage de la trame. Quand la trame est prte, elle est stocke dans un tableau o sont disponibles les rsultats. Ce tableau peut contenir 10 mesures.

    99 Laiguillage et lanalyse de la rception du signal 9 Laiguillage des ports RS232 : le microcontrleur qui quipe la carte lectronique du dbitmtre

    est un PIC 18F4620, et ne dispose que dun seul port srie. Laiguillage est positionn par dfaut sur lordinateur. Lors dune interrogation de lordinateur, le dbitmtre est en mesure de lui rpondre. Si une mesure est en cours, la minute o le dbitmtre dite une mesure, laiguillage connecte la balance au dbitmtre qui lui envoie une demande de mesure. La balance rpond, et laiguillage revient en position initiale. Si lordinateur met une demande pendant que laiguillage connecte le dbitmtre la balance, la demande est ignore. Le tableau de stockage des trames de mesure permet de mmoriser jusqu 10 mesures.9 Lanalyse de la rception : lanalyse de la rception est une fonction toujours active, quel

    que soit le mode dans lequel se trouve le dbitmtre. Elle permet de diffrencier une instruction dun oprande. Ainsi, il est possible de lire et de reprogrammer les paramtres fondamentaux du dbitmtre (priode de cumul des basculements dauget : 1 min, priode sans basculement avant mise en veille : 16 min) et aussi de contrler la validit des trames reues provenant de la balance.99 La commande du vrin

    Le mode Mesure active le vrin et dpose la bouteille sur la balance. Si le vrin narrive pas destination dans le laps de temps qui lui est imparti, le contrleur du moteur courant continu envoie un niveau logique au dbitmtre lui indiquant un dysfonctionnement du vrin. Celuici est enregistr dans le fichier de donnes comme un commentaire.

    La Figure 7 reprsente une vue synthtique du projet Solidworks avec une photographie du dbitmtre prt tre install.

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    Figure 7. Photographies du projet Solidworks et du dbitmtre termin (photo : EMMAH).

    Le dbitmtre 450 L/h

    Organisation gnrale

    Ce dbitmtre est conu pour mesurer des dbits couvrant une plage de mesure allant de 0 450 L/h soit un quivalent de prcipitations de 0 95 mm/h. Son schma gnral est donn Figure 8.

    Figure 8. Schma gnral du dbitmtre 450 L/h.

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    Leau draine scoule dans le collecteur et tombe dans la colonne de distribution. Celleci est quipe de quatre ajutages qui limitent le dbit vers quatre augets dont les capacits respectives sont de 20 g, 60 g, 150 g et 300 g. Le dbitmtre mesure chaque intervalle de temps entre deux basculements dauget sur une priode dune minute. Le dbit total est la somme des dbits mesurs. Toutes les minutes, le mme ordinateur connect au port srie du dbitmtre rcupre les mesures en mmoire et les enregistre sur le disque dur. Si le dbitmtre est en veille, lordinateur vrifie le bon fonctionnement de linstallation.

    Principe de fonctionnement du dbitmtre

    Figure 9. Organisation des fonctions sur la carte lectronique du dbitmtre 450 L/h.

    La Figure 9 reprsente lorganisation des fonctions mises en uvre sur la carte lectronique du dbitmtre. Un microcontrleur PIC 18F4620 gre son fonctionnement, son programme a t dvelopp laide de la plateforme MPLAB et du compilateur C18 de Microchip. Cette carte est connecte :99 un ordinateur sous Windows XP. Le mme programme crit avec la plateforme LabView dcrit

    prcdemment dispose des mmes fonctions pour ce dbitmtre.99 un contact des pluviomtres auget basculeur. Ils sont au nombre de quatre. A chaque fois quun

    auget est plein il bascule, et son contact associ se ferme fugitivement.

    Le dbitmtre est en mesure de fournir une mesure un pas de temps paramtrable dfini par dfaut 1 minute.

    Les fonctions mises en uvre dans le microcontrleur sont identiques celles dcrites prcdemment pour le dbitmtre 150 L/h avec quelques variantes.99 Lhorloge. Son fonctionnement est identique celui du dbitmtre 150 L/h (cf. cidessus).99 Les modes de fonctionnement. La carte lectronique permet deux modes de fonctionnement : le

    mode Veille et le mode Mesure .9 Le mode Veille est identique au prcdent mais ne fait pas intervenir le verrin.

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    9 Le mode Mesure est identique au prcdent mais se dclenche ds le basculement de lauget 20 g ou de lauget 60 g. Les augets inactifs sont considrs en veille et leur compteur reste zro.

    9 Les compteurs Priode totalisent les interruptions du timer programmable sur les augets actifs. 9 Les compteurs Nombre de basculements totalisent le nombre de basculements des

    augets actifs pendant une minute. Deux cas peuvent se produire, identiques ceux dcrits prcdemment avec une mise en veille du dbitmtre lorsque la priode entre deux basculements dauget est suprieure 90 min au lieu de 16 min.9 La mise en forme de la trame est identique mais comporte, la suite, les priodes et les

    nombres de basculements des augets 20, 60, 150 puis 300 g. Le fonctionnement des augets est asynchrone, aussi pour renseigner la priode de lauget en veille, ou dont la mesure est en cours, un XX remplit le champ. Tous les champs sont spars par un pointvirgule. A titre dillustration, voici un extrait de fichier de mesure de ce dbitmtre :

    0J0:0:0; ;0; ;0; ;0; ;0;* Dpart mesure * // Dbut du fichier : tous les compteurs sont zro* Tableau de donnes vide * // Fin de rponse du dbitmtre quand le tableau est vide* Mesure en cours * // Quand lordinateur interroge le dbitmtre, la mesure est* Mesure en cours * // en cours, mais pas encore disponible // Les commentaires sont encadrs par des toiles (*)* Mesure en cours *0J0:14:0; 8255; 1; XX; 0; XX; 0; XX; 0; // premire mesure disponible : un seul basculement dauget* Tableau de donnes vide * // aprs 14 min de fonctionnement. La priode est de* Mesure en cours * // 825,5 secondes. Les autres augets ne sont pas actifs : XX * Mesure en cours * // remplit les champs Priode et 0 indique quil ny // a pas eu de basculement sur aucun des autres augets3J1:19:0; 620; 6; XX; 0; XX; 0; XX; 0; * Tableau de donnes vide *3J1:20:0; 617; 6; XX; 1; XX; 0; XX; 0; // Lauget de 20g a effectu 6 basculements et son compteur* Tableau de donnes vide * // Priode accumule 61,7 secondes. Lauget 60 g vient de // basculer3J3:32:0; 627; 6; XX; 1; XX; 0; XX; 0; * Tableau de donnes vide *3J3:33:0; 552; 5; 4500; 1; XX; 0; XX; 0; // Nouveau basculement de lauget 60 g. La priode est de 450 s* Tableau de donnes vide * // A noter, cet extrait de mesure nest pas issu du mme fichier3J3:34:0; 562; 5; XX; 1; XX; 0; XX; 0; // que le prcdent : les horodatages ne correspondent pas* Tableau de donnes vide * 3J5:0:0; 678; 5; XX; 1; XX; 0; XX; 0; * Tableau de donnes vide *3J5:1:0; 546; 4; XX; 1; XX; 0; XX; 0; // Aprs 90 minutes dinactivit, lauget 60 g est mis en veille* Tableau de donnes vide *3J5:2:0; 549; 4; XX; 0; XX; 0; XX; 0; // Le nombre de basculement est repass zro* Tableau de donnes vide *

    * Mesure en cours ** Mesure en cours *16J2:52:45; ; ; ; ; 1; XX; 0; XX; 0; XX; 0; // Au bout de 90 min dinactivit, le dbitmtre se met en * Tableau de donnes vide * // veille. Le tableau qui contient les donnes est vide* En veille : dbit non mesurable * // Le dbitmtre est en veille, mais il rpond la demande de* Tableau de donnes vide * // lordinateur* En veille : dbit non mesurable ** Tableau de donnes vide ** En veille : dbit non mesurable *

  • 18

    99 Le stockage de la trame est identique celui dcrit ci dessus. 99 Lanalyse de la rception. Cette fonction est toujours active, quel que soit le mode dans lequel se

    trouve le dbitmtre. Elle permet de diffrentier une instruction dun oprande. Ainsi, il est possible de reprogrammer les paramtres fondamentaux du dbitmtre (priode de cumul des basculements dauget : 1 min, priode sans basculement avant mise en veille : 90 min).

    La Figure 10 reprsente une vue synthtique du projet Solidworks et une photographie du dbitmtre prt tre install.

    Figure 10. Photographies du projet Solidworks et du dbitmtre termin (photo : EMMAH).

    Implantation sur site

    Limplantation des deux dbitmtres a ncessit la construction dun ouvrage en bton pour positionner convenablement les instruments visvis des exutoires des collecteurs (Figure 11). Cet ouvrage a t dimensionn pour rsister la pousse dArchimde lie la proximit de la nappe en priode de hautes eaux. La partie infrieure de louvrage est quipe dune pompe de relevage afin dvacuer les eaux de drainage vers la nappe.

    Figure 11. Photographies des drains et de leurs raccordements aux dbitmtres (photo : EMMAH).

  • 19

    Acquisition des donnes

    Un ordinateur sous Windows XP hberge le programme dacquisition des donnes (Figure 12). Il est crit en langage graphique sous Labview. Deux ports sries sont utiliss pour communiquer avec les deux dbitmtres. Lapplication dispose de plusieurs onglets qui permettent :9 la configuration des dbitmtres (dfinition des rfrences, remise zro des compteurs internes et

    commande manuelle des fonctionnalits) ;9 la visualisation du tableau de bord de linstallation, et le calcul des dbits toutes les minutes ;9 la visualisation des dbits pour les deux sries de drains.

    Figure 12. Vue de longlet exploitation de lapplication.

    Le volet Bilan nest pas implment car le bilan hydrique ne peut tre obtenu quavec un posttraitement des donnes recueillies. Il est en effet ncessaire de tenir compte des formules mathmatiques de correction tablies lors de ltalonnage du matriel.

    Procdure dtalonnage

    Le gnrateur de dbit constant

    Pour raliser un talonnage, il est ncessaire de gnrer un dbit constant qui sera mesur le plus prcisment possible et qui servira dtalon de travail afin de le comparer la mesure du dbitmtre talonner. Nous avons conu un tel dispositif o lopration seffectue en circuit ferm (Figure 13 et 14).

  • 20

    Figure 13. Vue de synthse du systme Figure 14. Schma du gnrateur dtalonnage des dbitmtres. de dbit talon.

    La pompe propulse leau dans le rservoir de stabilisation. Le niveau monte jusqu ce quil atteigne le niveau du dversoir. La partie basse du rservoir est quipe dune conduite qui achemine leau dans un second rservoir. A ce niveau, le dbit est constant, mais peut subir des variations lies aux turbulences gnres dans le rservoir de stabilisation par la pompe. Le fonctionnement du deuxime bac est similaire au rservoir de stabilisation, mais lcoulement de leau est stabilis : les turbulences ne sont plus visibles. La surface eau/air est parfaitement rgulire quel que soit le dbit gnr. La plage de dbit couverte par le gnrateur va de 2 L/h 800 L/h. La stabilit de la mesure est meilleure que 0,1 %.

    La procdure dtalonnage

    Les talonnages des deux dbitmtres sont raliss annuellement juste aprs leur maintenance. Aprs un nettoyage mticuleux, il faut vrifier la balance du dbitmtre 150 L/h ainsi que lquilibrage des augets des deux dbitmtres. Ensuite, le dbitmtre talonner est install sous lajutage du gnrateur de dbit, son exutoire devant alimenter le bac de rcupration de linstallation. Ltalonnage consiste comparer le dbit indiqu par le dbitmtre celui qui traverse lappareil. Le gnrateur de dbit, grce un jeu dajutages usins selon le besoin, peut fournir les dbits suivants : 2 L/h, 10 L/h, 34 L/h, 52 L/h, 73 L/h, 100 L/h, 144 L/h, 250 L/h, 350 L/h, 440 L/h et 550 L/h. Dans un premier temps, le flux deau devant traverser le dbitmtre est dvi pour tre mesur par un oprateur : il faut remplir deau un rcipient en mesurant le temps de remplissage. La quantit deau ainsi prleve est pese. Ensuite la dviation est retire et le flux deau traverse le dbitmtre. La priode dacquisition dure 30 min pour accumuler un nombre suffisant de mesures. A lissue de cette priode, la dviation est remise en place et loprateur mesure nouveau le dbit. Une fiche Excel, spcialement dveloppe pour ltalonnage, permet de vrifier la validit des mesures manuelles ainsi que celles effectues par le dbitmtre. Une fiche rcapitulative permet la dtermination de la fonction mathmatique pour transformer les donnes acquises en valeurs de dbit utilisables par les chercheurs.

  • 21

    Rsultats

    Les talonnages

    Les courbes dtalonnage reprsentent le coefficient multiplicatif appliquer la mesure releve pour obtenir la valeur du dbit qui traverse linstrument (voir Figures 15 et 17 pour les dbitmtres 150 L/h et 450 L/h respectivement). Les courbes des coefficients de variation (cart type / moyenne des mesures) reprsentent la dispersion relative des mesures releves pour des dbits constants (voir Figures 16 et 18 pour chacun des deux dbitmtres).

    Dbitmtre 150 L/h

    Figure 15. Comparatif des coefficients dtalonnage en fonction du dbit entre 2007 et 2013.

    Figure 16. Comparatif des coefficients de variation en fonction du dbit entre 2007 et 2013.

  • 22

    Le comparatif des coefficients dtalonnage montre une allure similaire des diffrentes courbes. La singularit de la courbe dtalonnage de 2007 nest pas explique. La mesure des trs faibles dbits est dlicate avec un coefficient de variation qui peut monter jusqu 6 %. Lorigine de ce dfaut provient de la balance qui indique une mesure oscillant entre 0 et 5 g. Ces informations viennent parasiter les mesures de lauget. Laugmentation du dbit montre que les coefficients de variation diminuent rapidement et deviennent infrieurs 1 % partir de 60 L/h, toutes courbes confondues et quelle que soit lanne de ltalonnage.

    Dbitmtre 450 L/H

    Figure 17. Comparatif des coefficients dtalonnage en fonction des dbits entre 2007 et 2013.

    Figure 18. Comparatif des coefficients de variation en fonction du dbit entre 2007 et 2013.

  • 23

    Le comparatif des coefficients dtalonnage montre deux groupes de courbes. Lvolution du type de courbe sexplique par le dmontage, en 2012, de lensemble des augets afin de nettoyer et lubrifier les pivots. La mesure des petits dbits reste dlicate, avec toutefois des coefficients de variation plus faibles que pour le dbitmtre 150 L/h (infrieur 4 %).

    Les donnes obtenuesNous prsentons ici les rsultats de mesures obtenues dans trois conditions dhumidit de sol diffrentes. Lindicateur dhumidit du sol est reprsent par la notion de pluie efficace en hydrologie, calcule par la diffrence Pluie EvapoTranspiration Potentielle . Lvolution de cet indicateur est donne sur deux annes hydrologiques contrastes (voir Figure 19). Trois pisodes pluvieux (novembre 2007, fvrier 2008, janvier 2009) ont t individualiss, dont les caractristiques sont donnes dans la Figure 20.

    Figure 19. Reprsentation du signal Pluie EvapoTranspiration Potentielle entre 2007 et 2009.

    Figure 20. Rcapitulatif des mesures.

  • 24

    Episode pluvieux du 22/11/2007 (Figures 21 et 22) :

    le sol est sec ( Pluie ETP ngatif). La quantit deau draine est faible, ainsi que le coefficient de restitution (4 %). On peut remarquer une volution semblable de la pluie et du drainage (Figure 22) et un temps de perce (temps ncessaire une goutte deau pour traverser la hauteur du bloc de sol) trs court : 1 h 25.

    Figure 21. Cumul de pluie et de drainage en fonction du temps le 22/11/2007.

    Figure 22. Prcipitations et drainage en fonction du temps le 22/11/2007.

  • 25

    Episode pluvieux du 04/02/2008 (Figures 23 et 24) :

    le sol est plus humide ( Pluie ETP proche de zro). La quantit deau draine reste faible, mais le coefficient de restitution est de 20 %. La restitution est longue (28 jours) et diffre.

    Figure 23. Cumul de pluie et de drainage en fonction du temps le 04/02/2008.

    Figure 24. Prcipitations et drainage en fonction du temps le 04/02/2008.

  • 26

    Episode pluvieux du 26/01/2009 (Figures 25 et 26) :

    le sol est trs humide ( Pluie ETP positif). La quantit deau draine est importante et le coefficient de restitution est maximal (100 %). Leau est transfre compltement. Des chemins prfrentiels sont activs.

    Figure 25. Cumul de pluie et de drainage en fonction du temps le 26/01/2009.

    Figure 26. Prcipitations et drainage en fonction du temps le 26/01/2009.

  • 27

    Retour dexprienceLanalyse a posteriori de la phase de conception de ces deux dbitmtres, et un recul de plusieurs annes de fonctionnement sur site permettent de formuler plusieurs points sur le retour dexprience.

    Mise au point

    Sensibilit aux orages : le disjoncteur qui scurise linstallation lectrique du lysimtre se dclenche un peu trop facilement pendant les orages. Londuleur alimente linstallation jusqu ce que les batteries soient vides. Les consquences sont les suivantes : un arrt brutal de linstallation et une absence de mesures. Certaines amliorations ont t alors mises en uvre : (i) nous avons effectu le remplacement du disjoncteur par un modle industriel insensible aux perturbations lectromagntiques ; (ii) nous avons install un programme superviseur donduleur sur lordinateur et avons assur la connexion de lordinateur au rseau informatique pour permettre la retransmission par mail des alertes (absence secteur, tension batterie trop basse, etc.).

    Sensibilit au colmatage : les vnements pluvieux brutaux provoquent larrachement de particules plus ou moins fines de sol qui sont entranes avec leau. Ces particules sont quasi inexistantes au niveau des drains suprieurs. En revanche, leurs dpts sont bien visibles dans les collecteurs des drains infrieurs et dans le dbitmtre 450 L/h. Lors dpisodes cvenols intenses, comme le 18/12/2008, une coule de boue est venue remplir la colonne de distribution des augets. Le remde a t la mise en place dun bac de dcantation en amont du systme de mesure, pour sparer les particules solides de leau (Figure 27). Initialement, une bouteille tait prvue pour maintenir le niveau constant dans la cuve, mais aprs quelques mois dutilisation, nous avons constat que lvaporation de leau du bac tait trs faible, il ntait donc pas utile dinstaller un systme de rattrapage de niveau.

    Figure 27. Schma du bac de dcantation.

    Sensibilit aux grenouilles ! En 2011, des enregistrements de mesure sont dtects sur le dbitmtre 150 L/h alors que ni irrigation, ni prcipitation ne sont constates. Il savre que des grenouilles se sont installes dans lauget sous la bouteille de 50 L. La mise en place dune grille en mtal dploye sous le dbitmtre a permis de rsoudre ce problme.

    Ce quil faudrait refaire

    Le principe mme de fonctionnement du dbitmtre 150 L/h est revoir car la sensibilit de la balance la drive thermique introduit une incertitude sur ses mesures. Une solution serait de reprendre larchitecture du dbitmtre 450 L/h. Nous pourrons aussi supprimer lauget de 300 g car la plage de mesure restante serait suffisante pour rpondre pleinement au besoin des drains suprieurs.

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    Ce quil reste faire

    Actuellement, le signal de pluie est acquis avec un pas de temps de 30 min sur un dispositif dacquisition diffrent de celui des dbitmtres. Lidal serait dacqurir ce signal avec la mme discrtisation que les mesures de dbit, soit une minute et en parfaite synchronisation avec la mesure des dbitmtres. Cette adaptation serait relie lordinateur via un port srie. Lapplication serait aussi adapter pour tre en capacit denregistrer ces nouvelles mesures.

    Nous souhaitons aussi construire un banc dtalonnage prenne qui puisse prendre en charge la mesure du dbit du gnrateur de dbit sans que loprateur intervienne directement. Actuellement, cette mesure ralise par loprateur est sensible son savoirfaire.

    Enfin, la simplification des fichiers de donnes permettra une extraction plus aise des mesures, et donc un traitement plus rapide. Il faudra donc intgrer les formules dtalonnages lapplication et enregistrer les donnes brutes et les mesures labores.

    ConclusionCe travail de conception, de ralisation et dinstallation a dur deux ans. Ce systme de mesure fonctionne depuis 2007 en milieu extrieur. Il a la particularit de mesurer des dbits sur des flux deau surface libre avec une gamme de mesure (i) de zro 150 L/h, soit un quivalent de prcipitation de 31 mm/h, pour le dbitmtre connect aux drains dinterception et (ii) de zro 450 L/h, soit un quivalent de prcipitation de 95 mm/h, pour le dbitmtre connect aux drains contre les palplanches, avec une rsolution de 20 g qui correspond 0,004 mm de prcipitation. Quelques modifications, comme le changement dun disjoncteur de linstallation lectrique, la mise en place dun bac de dcantation, et la pose de grilles pare grenouilles ont t ncessaires pour fiabiliser le fonctionnement de linstallation. Aprs 7 ans de fonctionnement, linstallation a subi deux pannes : la premire, due un impact de foudre proche du site de mesure, a ncessit le remplacement dun microcontrleur et dune carte port srie sur lordinateur ; et la deuxime, due un ordinateur en fin de vie, a ncessit le remplacement de lunit centrale.

    Les mesures montrent une variabilit importante de comportements, et des temps de perce courts (quelques heures au maximum pour arriver 2,5 m de profondeur). Ce temps de perce met en vidence la fragilit de la nappe phratique visvis des risques de transfert de polluants mobiles avec leau. Lintrt du dispositif dbitmtrique est quil est conu pour chantillonner les eaux de drainage, permettant ainsi de suivre le cheminement des polluants, des particules et des bactries depuis la surface du sol jusqu la nappe (voir par ex. Brillard et al., 2015). Ceci participe lamlioration de la comprhension du transport complexe dans les sols.

    Rfrences bibliographiquesBrillard J, Dupont C, Berge O, Dargaignaratz C, OriolGagnier S, Doussan C , Broussolle V, Gillon M, Clavel T, Brard A (2015) The water cycle, a potential source of the bacterial pathogen Bacillus cereus. BioMed Research International. Special issue Contamination of readytoeat food by emerging and neglected pathogens and the role of environment 2015, Article ID 356928, 15 pages http://dx.doi.org/10.1155/2015/356928Bogner C, Marc V, Di Pietro L, Doussan C, Ruy S, Gaudu JC, Perrin P, CognardPlancq AL, Emblanch C, Daniel M, Simler R (2004) Tracer study of infiltration in a field soil simulated rainfall experiment on a large lysimeter. International Workshop on the Application of Isotope Techniques in Hydrological and Environmental Studies: 68 November 2004; Paris.

  • 29

    Chapelet A, Debroux M, Tison F, Di Pietro L, Doussan C, Joelson M, Marc V, Ruy S (2012) An experimental set up in Avignon (South of France) for the multiscale study of preferential flow in soil and of groundwater recharge processes; Colloque EuroSoil 2012, Bari, 26 juillet, (p. 1901).Garel E, Marc V, Ruy S, Doussan C, Simler R, Daniel M, Tison F (2007) Infiltration processes and impact on shallow groundwater in agricultural dry land areas. International Symposium on Advances in Isotope Hydrology and its role in Sustainable Water Resources Management, (IHS2007), May 2007, Vienne.Margat J (2001) Exploitations et utilisations des eaux souterraines dans le monde, UNESCO BRGM.

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    Mthodologie pour lusage dun drone de catgorie E pour la dtection de la flavescence doreMoustafa Kasbari1, Benot Leroux2

    Rsum. La dtection des pieds de vigne atteints de flavescence dore est devenue une priorit nationale. Dans ce cadre, ces travaux ont permis le dveloppement dune mthode dobservation rapide utilisant un aronef tlpilot (drone). Le dploiement dun drone sur une parcelle prsentant des symptmes de jaunisse a permis de comparer les rsultats dune prospection arienne avec ceux dune prospection au sol. Nous dmontrons que le drone offre un gain de confort pour le viticulteur, un gain de temps et une amlioration du rendement de la prospection fine. Enfin, ces travaux ont permis de dvelopper des algorithmes de traitement de limage et des protocoles de positionnement automatique pour le drone, facilitant la recherche de symptmes sur une parcelle et la golocalisation automatique des pieds de vigne suspects.

    Mots cls : drone, UAV, RPAS, lgislation, flavescence dore

    Introduction Depuis 2008, le CEEMA (Centre dessais et dtudes pour modles autonomes) travaille au dveloppement de systmes autonomes pour les marchs civils. La particularit de notre approche consiste en lintgration de briques technologiques indpendantes pour fabriquer un RPAS (remotly piloted aircraft system, ou systme arien pilot distance) qui soit parfaitement adapt aux missions pour lesquelles il a t conu. Nous affirmons ainsi qu chaque usage mtier correspond une configuration et que le RPAS standard nexiste pas. Dans le prsent article et des fins de simplification, nous avons choisi de remplacer le mot RPAS par le mot moins prcis mais plus usit drone .

    Dans le cas du march de lagriculture, nous nous sommes intresss la possibilit dautomatisation de la dtection de la flavescence dore par un drone. Pour ce faire, nous avons, lors de la campagne de 2014, slectionn une parcelle de vigne rouge dans le vignoble de la Sainte Victoire (13) et compar nos rsultats ceux obtenus lors dune prospection fine pied dirige par les services de la FREDON PACA (Fdration rgionale de dfense contre les organismes nuisibles Provence Alpes Cte d'Azur). La mthodologie employe et les rsultats obtenus sont prsents dans cet article.

    Problmatique La flavescence dore (Constant et Lernould, 2014) est une maladie de la vigne qui se transmet de pied en pied par un insecte : la cicadelle (Chuche, 2010). Lagent responsable de la contamination est un phytoplasme (Carle et al., 2011) qui se multiplie dans la vigne, y circule et sy conserve vie. En ce sens, la contamination de la vigne est irrversible et conduit la mort du pied.

    Sachant que la propagation de la maladie dune anne lautre se fait selon un facteur dix (Salar et al., 2013) (10 pieds contamins en anne N donnent 100 pieds contamins lanne N+1), la dtection de cette maladie qui menace tout le vignoble franais est devenue une priorit nationale.

    Par ailleurs, les symptmes ne sont visibles que sur une courte priode prcdant les vendanges, ce qui ne laisse que peu de temps aux agriculteurs et aux services de lEtat pour mener des campagnes de prospection.

    1. CEEMA, 6581 Route de Rians, F83910 Pourrires, France; [email protected] DICT, 22 Bld Emile Loubet, F13710 Fuveau, France

    mailto:[email protected]

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    Lobjet de ce travail est de proposer et de valider une mthodologie de mesure afin dautomatiser la dtection des symptmes au champ.

    Mthodologie Symptme des pieds flavescents

    Un pied de vigne atteint par la flavescence dore dveloppe simultanment trois types de symptmes (Walter, 2000) : la coloration du feuillage (rougissement sur cpage rouge, jaunissement sur cpage blanc), le fltrissement des baies et le non aotement du bois (endurcissement au froid). Dautres maladies jaunisse dveloppent ces mmes symptmes, et leur observation ne pourra tre quun indice de la prsence de la maladie ; dans tous les cas, un prlvement et un test en laboratoire seront ncessaires pour confirmer la prsence ou non de flavescence dore.

    Dtection des symptmes

    Habituellement, la prospection se fait pied ou en quad par des techniciens qui scrutent la vigne pour tenter de dtecter les symptmes de la maladie. Mais les contraintes lies ce fastidieux travail dobservation rptitif et en pleine chaleur conduisent parfois des loups, laissant dans la nature des pieds infects non localiss.

    Notre travail propose lutilisation dun systme autonome arien, ou drone, pour simplifier et automatiser la dtection de ces symptmes. Lil humain est remplac par une camra visible haute rsolution embarque sur un drone, afin de maximiser la surface de vigne analyse par jour.

    Dans la premire partie de notre mthode, le drone parcourt automatiquement la parcelle tudie pendant que le technicien observe les images sur son ordinateur et golocalise les pieds de vigne suspects.

    Dans la deuxime partie (non prsente dans cet article), le traitement automatique de linformation relaye au sol permet lautomatisation de la golocalisation des pieds de vigne suspects.

    Rglementation pour lutilisation dun drone Lusage des drones en France est rglement. Il faut rappeler quun oprateur qui souhaite utiliser un drone pour une activit autre que le loisir ou la comptition doit senregistrer la DGAC (Direction gnrale de laviation civile) en dposant un Manuel dActivit Particulire et possder une autorisation prfectorale selon le travail arien envisag (Arrt du 11 avril 2012). Le caractre ponctuel ou exprimental des tudes menes nexonre pas loprateur de ces dmarches.

    Description du matriel

    Le matriel utilis a t lou la socit DICT (Drone Innovation Conseils & Technics, socit spcialise dans la R&D et le conseil sur les marchs du drone civil). Construit autour dune technologie de type MikroKopter, il permet dembarquer un appareil photo Sony NEX5 avec une autonomie relle de 15 min tout en maintenant une rserve dautonomie de 2 min (Figure 1).

  • 32

    Figure 1. Drone et appareil photographique utiliss dans lexprimentation (photos : Leroux, DICT).

    Lappareil photo dispose dun capteur CMOS Exmor de 14 millions de pixels et dune liaison haute frquence dans la bande des 5,8 GHz pour transmettre les images en temps rel vers lcran de loprateur.

    Description de la parcelle et prparation de la mission

    La parcelle de vigne analyse a t identifie par les services de la FREDON PACA comme prsentant des symptmes de jaunisse. Elle se situe dans le Var entre les villages de Trets (13) et de SaintMaximin la SainteBaume (83).

    Elle est identifie par un contour noir dans la Figure 2. La parcelle a une surface de 5000 m2. Elle est compose de 18 ranges de vigne rouge espaces de 2,50 m, contenant chacune 105 pieds. Elle comporte, selon le technicien en charge de cette zone, huit pieds suspects identifis lors dune prospection fine excute pied par lquipe du vignoble.

    Figure 2. Image satellite et photographie arienne basse altitude de la parcelle tudie (photo : Leroux, DICT).

    Le secteur envisag pour la mission est, sur le plan aronautique, une zone fort trafic. Lextrait de carte aronautique reprsent Figure 3 montre la multitude despaces et de routes que comporte le secteur. En outre, des zones rglementes, civiles, militaires, dangereuses (en rouge sur le dessin) rendent le survol de la parcelle dlicat. Nous avons donc soigneusement prpar la mission en contactant les gestionnaires des zones concernes et en informant les services de la circulation arienne civile (DGAC) et militaire (DIRCAM) de cette mission.

  • 33

    Figure 3. Extrait de la carte aronautique France SudEst. Secteur SainteBaume / R95.

    La mission ellemme consiste en un survol basse altitude (infrieure 30 m) de la parcelle, en mode automatique. Le programme implment dans le drone permet un maillage du terrain dans le sens des ranges, afin que chaque range puisse tre observe automatiquement sur la capture dcran (Figure 4).

    Figure 4. Capture dcran de linterface graphique du logiciel de navigation du drone.

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    Rsultats et analyse La Figure 5 montre le drone en cours de mission (cercle rouge) ainsi quun pied de vigne suspect (flche rouge).

    Figure 5. Photographie arienne du drone en cours de mission. Localisation dun pied de vigne suspect et image agrandie des feuilles rougies (photo : Kasbari, CEEMA).

    Le technicien peut, en temps rel, reprer les symptmes sur les feuilles des pieds de vigne et zoomer sur les images afin damliorer leur reconnaissance.

    Le Tableau 1 montre la comparaison des rsultats obtenus entre la prospection arienne et la prospection pied.

    La vitesse de dplacement de laronef permet de traiter de plus grandes surfaces dans un mme temps. Limage haute dfinition permet didentifier sans aucune fatigue les symptmes de la maladie. Lorsque le technicien identifie un pied suspect, il peut dclencher la golocalisation de la photographie et les coordonnes GPS sont alors enregistres dans un fichier de type CSV (commaseparated values) avec le numro dordre de la photographie.

    Tableau 1. Rsultats obtenus par prospection pied et par drone

    Analyse sur 1 ha Temps Nombre de pieds suspectsProspection avec un drone 36 min 24Prospection pied 105 min 16

    Lexprience montre plusieurs avantages lusage de cette technique. Dune part, le temps ncessaire au traitement de la parcelle est prs de trois fois plus court avec un drone, dautre part le nombre de pieds suspects identifis est 50% suprieur au nombre de pieds de vigne suspects dtects lors dune prospection pied.

  • 35

    Il faut par ailleurs noter quun contrle plus mticuleux pied permet a posteriori de retrouver lensemble des pieds identifis par le drone. La prospection par voie arienne est donc plus complte (Tableau 2).

    Tableau 2. Comparaison des avantages et inconvnients de la prospection pied et par drone

    Forces FaiblessesProspection avec un drone Temps danalyse

    Rptabilit Cot

    Lgislation Autonomie Mto

    Prospection pied Facilit de mise en uvre Simplicit

    Temps danalyse Cot Pnibilit

    Conclusion et perspectives La flavescence dore est une maladie quarantaine incurable qui ncessite une dtection systmatique qui est fastidieuse mais obligatoire. Cette tude a montr que lutilisation dun drone permet de gagner un facteur 3 dans le temps ncessaire au traitement dune parcelle par rapport une mthode traditionnelle de prospection pied. Les rsultats de dnombrement montrent que la mthode arienne conduit un taux de dtection 50 % plus efficace que la dtection au sol et une golocalisation prcise des pieds de vignes suspects. Pour autant, le dveloppement dun algorithme de reconnaissance automatique des symptmes sur limage reste parfaire. Le lien avec lautopilote pour un positionnement automatis du drone doit encore tre valid par une campagne de tests complmentaires.

    Rfrences bibliographiques Carle P, MalembicMaher S, ArricauBouvery N, Desque D, Eveillard S, Carrere S, Foissac X (2011) Flavescence dore phytoplasma genome : a metabolism oriented towards glycolysis and protein degradation. Bull Insectol 64 : S13S14.Chuche J (2010) Comportement de Scaphoideus titanus, consquences spatiales et dmographiques. Thse de Doctorat, Universit Bordeaux 2, 216 p.Constant N, Lernould J (2014) Gestion de la flavescence dore dans la viticulture biologique. Salar P, Charenton C, Foissac X, MalembicMaher S (2013) Multiplication kinetics of flavescence dore phytoplasma in broad bean. Effect of phytoplasma strain and temperature. Eur J Plant Pathol 135 : 371381.Walter B, BoudonPadieu E, Rid M, Walter B (2000). Les maladies virus, bactries phytoplasmes et de la vigne. Bordeaux, Fret, 191 p. Arrts du 11 avril 2012 relatif la conception des aronefs civils qui circulent sans aucune personne bord, aux conditions de leur emploi et sur les capacits requises des personnes qui les utilisent (http://www.legifrance.gouv.fr)DGAC , http://www.developpementdurable.gouv.fr/Aviationlegeregeneraleet,1699.htmlDIRCAM, http://www.dircam.air.defense.gouv.fr/dia/

    http://www.legifrance.gouv.frhttp://www.legifrance.gouv.frhttp://www.developpement-durable.gouv.fr/-Aviation-legere-generale-et,1699-.htmlhttp://www.dircam.air.defense.gouv.fr/dia/

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    Dispositif de mesure des profils verticaux de CO2 et de vapeur deau en fort, avec talonnage automatique de lanalyseur IRGAPatrick Gross1

    Rsum. Un dispositif automatique de mesure de concentration de CO2 et de vapeur deau sept hauteurs diffrentes dans la fort a t conu pour estimer le stockage de CO2 dans toutes les couches de la canope. Un ensemble dlectrovannes et de pompes, coupl un analyseur de gaz infrarouge (IRGA) LI840 pour le CO2 et le H2O et une centrale dacquisition CR1000, mesurent squentiellement la concentration de ces gaz aux sept hauteurs, sur un cycle de 2 min. Une squence dtalonnage automatique de cet analyseur a t ajoute afin dintercalibrer ce dernier avec lanalyseur IRGA ddi la mesure des flux par Eddy covariance.

    Mots cls : mesure concentration CO2 H2O, IRGA, profil vertical, talonnage automatique

    Figure 1. Tour flux en fort domaniale de Hesse (57) (photo : P. Gross)

    1. INRA, UMR 1137 Ecologie et Ecophysiologie forestires, F-54280 Champenoux, France ; [email protected]

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    IntroductionLe flux gazeux de CO2 mesur audessus des forts est la rsultante de deux flux contraires : assimilation chlorophyllienne et respiration de lcosystme. La mesure par la mthode Eddy covariance (EC) du flux nocturne de CO2 permet dvaluer la respiration de la fort, condition quune turbulence suffisante existe pour entraner les gaz produits par le sol et les arbres vers le point de mesure, situ audessus de la fort. Dans le cas contraire, le CO2 est stock dans les couches basses de la canope ou entran par advection horizontale. Cest pour mesurer ce stockage et partiellement corriger ainsi les flux de CO2 obtenus par EC, que nous avons dvelopp ce systme automatis.

    Dispositif de mesureLe cur du dispositif (Figure 2) est constitu dun analyseur IRGA LICOR LI840 coupl une centrale dacquisition Campbell CR1000 par liaison RS232. Lchantillonnage squentiel de chaque niveau est ralis avec un jeu dlectrovannes NO (normalement ouvertes) et NC (normalement fermes) commandes par quatre sorties logiques (C1 C4 de la CR1000) via une interface ralise au laboratoire. On a ajout au cycle de mesure, un intervalle paramtrable, une squence dtalonnage automatique du LI840 (zro et pente) par le passage dazote gazeux (zro), dun mlange talon N2/O2/CO2 (pente CO2) et dun gaz issu dun gnrateur de point de rose (pente H2O). Afin de rguler le dbit du gaz circulant dans lanalyseur, on a conu un ensemble de mesure et de rgulation avec un dbitmtre massique faible cot et une pompe membrane.

    Figure 2. Schma pneumatique du dispositif, avec le niveau 1 mesur par lanalyseur.

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    La mesure de fraction molaire de CO2 et H2O aux diffrents niveaux seffectue de manire squentielle. Afin de minimiser le temps de rponse d la purge lors dun changement de niveau, toutes les lignes qui ne sont pas en phase de prlvement sont connectes une seconde pompe simultanment (Figure 2).

    Les lectrovannes (EV) sont des modles Matrix : BX 721 101 C 2 12, BX 758 8EV A2 12 et BX 758 8EV C2 12, avec respectivement 1 entre1 sortie NC, 8 entres1 sortie NO et 8 entres1 sortie NC, les deux dernires rfrences sont optimises pour un travail en dpression (Figure 3). La tension dalimentation est de 12 V DC et la puissance de chaque bobine de 1,4 W.

    Figure 3. De gauche droite BX721 (*2), BX 758 NO et BX758 NC. Tous les tuyaux ne sont pas raccords (photo : P. Gross).

    Figure 4. Filtre PALL ACRO 50 avec sa protection anti-pluie

    (photo : P. Gross).

    La sortie commune du groupe des huit EV normalement fermes (EV 758 2/2 NC) est connecte lanalyseur LICOR LI840, plac en amont du dbitmtre massique et de la pompe 1 (Schwarzer Precision SP 300) asservie, tous deux intgrs dans une rgulation ProportionnelleIntgrale. Seul le niveau slectionn par les EV NC est mesur. Lanalyseur est protg des poussires par un filtre PALL ACRO 50 membrane PTFE 0,2 m.

    La sortie du groupe des huit EV normalement ouvertes (EV 758 2/2 NO) est connecte la pompe 2 (Schwarzer Precision SPV 120), plus puissante pour aspirer, en permanence, les six lignes de prlvement des niveaux non slectionns pour lanalyse. Ainsi, seul le volume mort en aval des lectrovannes NC est purger la commutation ; dix secondes suffisent pour cette opration. La dernire entre du groupe NC (EV7) est utilise pour ltalonnage de lanalyseur LICOR LI840 avec un gnrateur de point de rose (pente H2O). Deux lectrovannes simples (EV 721 2/2 NC) compltent le dispositif pour ltalonnage avec le mlange N2/O2/CO2 (pente CO2) et lazote pur (zro).

    Les tubes des lignes de prlvement en SYNFLEX 1300 6 mm sont protgs de lintrusion de poussires par des filtres membrane PTFE 1 m (PALL ACRO 50) en tte de ligne. Une protection antipluie a t ajoute en utilisant un pilulier perc et taraud 1/8 NPT (Figure 4). Linfluence des variations des pertes de charge sur les mesures de concentrations dues aux diffrences de longueur des lignes

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    dchantillonnage et dencrassement des filtres en amont est minimise par la rgulation de dbit dans lanalyseur LI840. La mesure de la pression et du dbit de gaz dans cet analyseur, pour chaque niveau chantillonn, permet de suivre ltat des filtres et de les changer avant un colmatage excessif. Une dpression relative suprieure 5 kPa est considre comme critique.

    Les tubes en SYNFLEX sont regroups dans une gaine isolante Armaflex XG de diamtre intrieur 28 mm et dpaisseur 19 mm. Trois cbles pour thermocouple CuivreConstantan y sont galement insrs : deux sont utiliss comme cble chauffant pour viter des phnomnes de condensation, la soudure chaude du troisime, place michemin dans la gaine est utilise pour la mesure de la temprature effective dans celleci.

    Droulement de la mesureUn profil vertical est effectu toutes les 15 min et ne dure que 2 min grce au temps de purge rduit chaque changement de niveau. Lvolution journalire montre bien la diffrence de concentration en CO2 entre les diffrents niveaux (Figure 5). On remarque notamment la dcroissance rapide de concentration des niveaux bas en dbut de matine, lorsque le vent se lve et vient mlanger lair du couvert avec lair atmosphrique, ce qui correspond un dstockage de CO2.

    Figure 5. Evolution de la fraction molaire de CO2 mesure 6 niveaux diffrents. La fort a une hauteur moyenne de 18 m. Lanalyseur Eddy covariance est install 27 m, cest notre niveau de rfrence.

    Correction des fluxLintensit de la turbulence entranant les flux de matire verticalement, de lcosystme vers latmosphre, peut tre caractrise par la vitesse de friction u*, calcule partir des trois composantes du vecteur vent. Dune manire gnrale, la turbulence est rduite la nuit, favorisant (i) le stockage de CO2 dans lair du couvert et (ii) les phnomnes de stratification ou dadvection horizontale de CO2 dans le cas de situation en pente ou de gradient thermique. Ltude de notre site nous a permis de dfinir un seuil critique de 0,11 m. s1 pour u*, en dessous duquel ladvection latrale devient prpondrante : dans

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    ce cas, le CO2 produit par le sol et les arbres est emport latralement et le stockage est faible, aucune correction nest possible : ces donnes de flux seront repres et limines lors du posttraitement. Heureusement, cette situation nest pas systmatique en priode nocturne, les mesures de respiration de lcosystme sont valides pour u* > 0,11 m. s1 . La journe du 16 juin (Figure 6) est un exemple de succession de situations o les corrections sont possibles ou non. Par convention, un flux de CO2 est compt positif sil sort de lcosystme (respiration) et ngatif sil est entrant (photosynthse). En dbut de journe, u* est infrieur au seuil critique, aucune correction ne peut tre apporte, la donne de flux est limine. Puis au lever du jour, la turbulence sactive : un stockage ngatif est mesur, correspondant un dstockage de CO2 de lcosystme vers latmosphre. Ce flux sortant est en opposition avec le flux de photosynthse entrant. La correction nous amne diminuer la valeur algbrique du flux net FCO2 :

    flux corrig = FCO2 + stockage CO2.

    A contrario, en soire, en labsence de photosynthse, un stockage positif apparat, ce qui corrige la hausse le flux respiratoire (positif). Cela permet ensuite les calculs des flux de respiration et dassimilation de lcosystme et daffiner leur modlisation en rponse aux facteurs climatiques.

    Figure 6. Evolution du flux journalier de CO2. La courbe bleu fonc correspond au flux mesur par EC, la courbe bleu clair reprsente le flux corrig. Le dstockage matinal est bien visible lorsque u* (ustar)

    dpasse le seuil de 0,11. Le flux nocturne est valide pour la soire.

    Etalonnage de lanalyseur LI840Un cycle de mesure pour le profil vertical sur sept niveaux dure 2 min. Ltalonnage automatique de lanalyseur LICOR LI840 est programm la suite toutes les 180 min et dure 11 min (cette priode est paramtrable dans le logiciel de la centrale CR1000). La chronologie de la squence dtalonnage a t choisie afin den optimiser la dure : la rponse de lanalyseur aux variations de teneurs en H2O est beaucoup plus lente que celle lie aux variations de teneurs en CO2 ( cause de leau adsorbe dans

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    le systme), le passage du mlange gazeux N2/O2/CO2 permet de commencer dsorber lhumidit sur les parois des canalisations et de lanalyseur, ce processus se terminera ensuite lors du passage du gaz zro (Figures 7 et 8).

    A lissue de ltalonnage, aucun rglage nest apport lanalyseur : les indications sont mmorises et serviront corriger les mesures de profil ultrieurement. Cette stratgie simplifie le suivi des drives ventuelles du LI840, qui se sont avres faibles, aussi bien pour loffset que pour la pente.

    Figure 8. Zoom sur ltalonnage du zro.Figure 7. Cintique dtalonnage de lanalyseur LI840 : pente H2O, pente CO2 et zro.

    Intercomparaison LI840 / LI7200Lanalyseur LICOR LI7200 utilis pour la mesure des flux par la mthode Eddy covariance est install sur une tour 27 m de hauteur. Ltalonnage de cet appareil est possible pour la partie CO2 en tirant une ligne acheminant les gaz talons depuis les bouteilles situes dans un module au sol jusqu lanalyseur. Par contre, la vapeur deau ncessite beaucoup de prcautions pour viter des problmes de condensation dans les tubes de transport, et il serait difficile dinstaller un gnrateur de point de rose sur la tour flux. Cest pourquoi nous avons choisi de placer un point de prlvement du profil proximit de lanalyseur LI7200. La comparaison des mesures de fraction molaire de H2O (courbes brune et violette Figure 9) a mis en vidence la ncessit de filtrer lair et de chauffer le tube dchantillonnage de lanalyseur LI7200, alors que le constructeur jugeait ces prcautions superflues. Leur mise en place le 20 janvier 2014 a apport une amlioration notoire des mesures de fraction molaire en vapeur deau (Figure 9).

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    Figure 9. Comparaison des indications des analyseurs LI7200 et LI840 et dun hygromtre Vaisala HMP155 pour la mesure de fraction molaire de vapeur deau ; le chauffage et la filtration pour le LI7200

    ont t mis en service le 20 janvier 2014.

    ConclusionCe dispositif, en fonctionnement en fort depuis juillet 2012, a bien rpondu aux objectifs viss et nous autorise rvaluer environ 50 % des flux nocturnes de CO2. La comparaison des mesures LI7200LI840 est maintenant systmatique, afin de corriger les flux de CO2 et de vapeur deau calculs en cas de drive de lanalyseur LI7200. Les dysfonctionnements sont reprs et solutionns beaucoup plus rapidement.

    Rfrences bibliographiquesBonnefond JM, Berbigier P, Nouvellon Y, Roupsard O (2002) La mesure des flux de gaz par la mthode des covariances turbulentes ou Eddy covariance . www.inra.fr/j2mGross P (2002) Etalonnage des capteurs dhumidit laide dun gnrateur de point de rose. www.inra.fr/j2m

    www.inra.fr/j2mwww.inra.fr/j2m

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    Annexe technique

    Commande lectrovannes profils CO2 et H2O

    Figure 10. Schma de principe de la commande des lectrovannes. Pour ne pas alourdir la figure, lensemble R1, R2, Q1, D2 et D3 na t reprsent quune seule fois,

    il faut le rpter autant de fois que dlectrovannes supplmentaires : dans notre cas, 10 au total.

    Un dcodeur BCD vers dcimal 74LS145 slectionne une seule lectrovanne parmi les dix possibles, suivant le code binaire en entre, voir Tableau 1. La sortie collecteur ouvert facilite linterfaage avec les transistors MOSFET canal P IRFD9120. Pour dautres utilisations, ne pas dpasser un courant de 1 A dans ces transistors, en modifiant ventuellement le calibre du fusible rarmable.

    Tableau 1. Table de vrit

    Entres Electrovannes slectionnes Broches DB25C4 C3 C2 C1 + 0 0 0 0 EV0 1140 0 0 1 EV1 2150 0 1 0 EV2 3160 0 1 1 EV3 4170 1 0 0 EV4 5180 1 0 1 EV5 6190 1 1 0 EV6 7200 1 1 1 EV7 8211 0 0 0 EV8 9221 0 0 1 EV9 1023

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    Figure 11. Implantation des composants de la carte de commande des lectrovannes (photo : P Gross).

    Rgulation de dbit dans lanalyseur LI840

    Nous avons choisi un capteur de dbit faible cot : First Sensor WBAL001DU, la rponse nest pas linaire, mais sans consquence pour fonctionner un seul point de consigne (0,85 l. min1). Ce capteur est aliment en + 10 V par IC3 MAX 666. Laction ProportionnelleIntgrale est ralise par les deux amplificateurs IC1 et IC2, le transistor MOSFET Q1 effectue linterface avec la pompe membrane. Lalimentation secteur classique a t remplace rcemment par un module convertisseur 12 V en entre et 12 V en sortie pour fonctionner sur batterie+panneau solaire.

    Figure 12. Schma de principe de la rgulation de dbit.

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    Figure 13. Implantation des composants de la carte de rgulation de dbit (photo : P Gross).

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    Systme RFID de dtection automatique de poissons Bastien Sacr1, Julien Tremblay2,3, Didier Azam2,3, Frdric Marchand2,3, Dominique Huteau4

    Rsum. Dans un objectif de suivi des poissons migrateurs, lU3E1, au travers du programme europen Morfish (Interreg Manche), en collaboration avec le GWCT5, a fait lacquisition de nouveaux types de lecteurs RFID (radio frequency identification). Ces lecteurs ont t installs des points stratgiques sur les rivires normandes et bretonnes de lObservatoire de recherche en environnement sur le poisson diadrome dans les fleuves ctiers (ORE Dia PFC). Ils permettent de suivre les dplacements des poissons lors de leurs migrations. Pour tre identifis par ces dispositifs, les poissons sont, au pralable, quips dun transpondeur de type PIT Tag (passive integrated transponder Tag : tiquette transpondeur passif intgr), capsule de verre compose dune puce lectronique et dune antenne que lon injecte dans le poisson. Lobjectif de cet article est de permettre une personne ayant peu de connaissances en lectronique dinstaller ce type de lecteur RFID. Ce systme est aussi adaptable aux autres animaux aquatiques ou terrestres pouvant tre quips de Tag RFID.

    Mots cls : marquage individuel, PIT Tag, RFID, antenne, suivi des populations, poissons migrateurs

    Introduction Capturer, marquer pour identifier individuellement des animaux, les relcher dans leur milieu puis les recapturer au cours de leur vie permet le suivi dun chantillon de population et de ce fait, dobtenir des informations fiables sur le fonctionnement de cette population. Cette reconnaissance individuelle se fait laide dun marquage spcifique qui attribue un code didentification unique pour chaque individu. Les animaux capturs une premire fois sont marqus et seront suivis tout au long de leur vie travers plusieurs occasions de recapture ou de dtection, au cours desquelles leur prsence et leurs caractristiques sont enregistres. Dans le cadre du suivi de population de poissons, lutilisation du marquage individuel est applique pour connatre leurs traits dhistoire de vie (croissance, ge de maturit, reproduction) mais aussi leur dispersion dans le cours deau (pour leur alimentation ou leur reproduction). En France, et plus particulirement lINRA de Rennes, lemploi de PIT Tag RFID en milieu naturel sur les saumons et truites a dbut dans les annes 1990 (Ombredane, 1998). Cette technologie a permis de marquer de manire prenne des poissons de petite taille. Les observations en milieu naturel et les essais raliss en conditions contrles ont permis de dfinir une taille minimale (57 mm) partir de laquelle il est possible de marquer les poissons laide de PIT TAG de 12 mm, sans consquence sur leur sant. cette taille, le taux de rtention des marques est suprieur 96 % en milieu naturel (Ombredane, 1998) alors quil est de 80 % en bassin de stabulation (Acolas, 2007).La lecture des PIT Tags ncessite des lecteurs gnrant un champ lectromagntique qui alimente le PIT Tag ce qui permet de rcuprer lidentifiant de ce dernier. La dtection de ces marques sest longtemps faite uniquement laide de lecteurs manuels qui ncessitent de capturer le poisson pour le scanner. Le dploiement de systmes RFID permettant de dtecter les poissons marqus directement dans leur milieu naturel est plus rcent. Il est apparu au sein de lINRA au milieu des annes 90 mais cette priode les distances de dtection, dues la mthode de transmission, ne permettaient dquiper que des petits cours deau peu profonds. Lamlioration de cette technologie avec larrive de nouvelles normes (1996) ainsi que sa dmocratisation, permettent aujourdhui dquiper des cours deau plus consquents et de rpondre certaines questions scientifiques sur la biologie, les dplacements des poissons mais aussi, dvaluer lefficacit des dispositifs de contrle ou de suivi des poissons migrateurs.

    1. INRA, 1036 U3E Ecologie et cotoxicologie aquatique, F35042 Rennes, France2. INRA, 1036 U3E, Ple GESTAQUA, F35042 Rennes, France ; [email protected] ONEMA, Ple GESTAQUA, F35042 Rennes, France4. INRA, 0985 UMR Ecologie et sant des Ecosystmes, F35042 Rennes, France5. Game and Wildlife Conservation Trust

    mailto:[email protected]

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    Matriel et mthodes PIT Tag RFID

    La dfinition de la RFID (radio frequency identification identification par radiofrquence), dans un sens gnral, est une technologie didentification automatique qui utilise le rayonnement radiofrquence pour identifier des objets porteurs dtiquettes lorsquils passent proximit dun interrogateur (antenne, lecteur, douchette). Elle permet lidentification individuelle dobjets sans contact direct. Les frquences utilises par cette technologie sadaptent diffrents environnements et domaines dapplications (carte de transports, industrie, scurit des levages).Pour les rsumer, il existe quatre types de frquences utiliss et norms en RFID : la LF, HF, UHF et SHF (Tableau 1).

    Tableau 1. Frquences de la RFID et environnements perturbateurs

    Abrviation anglosaxonne En franais

    Frquence Bande passante utilise

    Environnement(s) perturbateur(s)

    LF Basses frquences 125 kHz134,2 kHz MtalHF Hautes frquences 13,56 MHz Liquide, Mtal+UHF Ultra hautes frquences 860Mhz960MHz Liquide++, Mtal++SHF Super hautes frquences 2,45 GHz Liquide++, Mtal++

    Dans le cas qui nous intresse, pour tre identifis par ces dispositifs, les poissons doivent tre, au pralable, quips dune marque de type PIT Tag qui est compose dune puce lectronique et dune antenne en cuivre insre dans une capsule de verre (Figure 1). Cette marque utilise les basses frquences (Tableau 1), une centaine de kilohertz permettant la communication dans leau. Il existe plusieurs tailles de PIT Tag : 12 mm, 23 mm et 32 mm. Le principe de ces marques est bas sur une technologie dite passive , sans source dalimentation (sans pile). Le protocole normatif HDX (half dupleX) consiste envoyer un signal radio pour exciter le PIT Tag se trouvant dans le champ de lantenne, puis de lcouter pour rcuprer son numro didentification unique.

    Figure 1. PIT Tags en verre 12 mm (photo : U3E, INRA).

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    Tableau 2. Documentation technique Tag HDX 12 mm (source : http://www.ti.com/lit/gpn/trpgr30tgc)

    PARAMETER TRPGR30TGCFunctionaly Read onlyMemory (bits) 80(64bit UID + 16bit CRC)Memory (pages) 1Resonance frequency 134.6 kHzModulation FSK (frequency shift keying) 134.2 kHz/124.2 kHzTransmission principe HDX (half duplex)Power source Powered from the reader signal (batteryless)Typical reading range 60 cm Typical reading time 70 msCase material GlassProtection glass Hermetically sealed

    EMC Programmed code is not affected by natural electromagnetic interference or xraysSignal penetration Transpondeur can be read through almost all non metallic materialMechanical shock IEC 60068232 freefall drop test, 20 times from 1.5 m heightDimensions 2.12 0.05 mm x 12.0 0.5 mmWeight 0.10 g

    Les limites connues des Tags en verre HalfDuplex 12 mm, daprs la documentation et les tests effectus sont les suivants :99 le systme ne permet pas de lire deux Tags en mme temps (pas danticollision) ;99 une faible distance de dtection 60 cm au maximum (Tableau 2) ;99 cette distance de dtection varie selon lorientation du Tag par rapport au plan de lantenne, loptimum

    de dtection se faisant avec le PIT Tag perpendiculaire au plan.

    Capture et marquage des poissons

    Aprs capture (pche lectrique, pigeage), les poissons sont anesthsis, ils sont ensuite mesurs, pess et marqus par PIT Tag. Le marquage consiste en linjection dun PIT Tag (11,5 mm x 2,12 mm ; 0,1 g) dans la cavit pritonale, pour les jeunes poissons. Pour les saumons adultes la puce est insre sous la nageoire adipeuse (petite nageoire situe larrire du dos).

    http://www.ti.com/lit/gpn/trpgr30tgc

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    Figure 2. Insertion dun PIT Tag dans un saumon (photo : U3E, INRA).

    La pose de la marque peut se faire selon deux mthodes : laide dun trocart strile ou partir dune incision ralise au scalpel, uniquement pour lintra pritonal. Les poissons sont ensuite remis leau ds quils sont rveills. Les diffrentes oprations de captures mises en uvre sur les sites dtudes permettent de contrler ces poissons plusieurs reprises tout au long de leur existence et de mesurer les diffrents traits dhistoires de vie de chaque individu.

    Lecteur RFID

    Les lecteurs installs dans le cadre du programme europen Morfish sont de la marque Oregon RFID (Figure 3 et Tableau 3). Les enregistreurs sont composs de trois ensembles lectroniques et dune alimentation. Les cartes lectroniques dOregon RFID ont t remontes dans un botier plus important, afin de crer une seule unit comprenant le lecteur et une source dalimentation linaire filtre. En plus de lergonomie, lintrt de ce regroupement est de faciliter ltanchit du lecteur.

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    Caractristiques techniques du lecteur Orgon RFID : 9 lecteur Halfduplex9 1 4 antennes 9 normes : ISO 11784/117859 tension dalimentation : 1024 Volts9 2.2 Ampres maximum 9 5 millions denregistrements 9 connexions : USB et RS 232

    Figure 3. Lecteur RFID dans son botier tanche (photo : U3E, INRA).

    Tableau 3. Rcapitulatif des fonctions des cartes lectroniques (cf. Figure 3)

    Nde module Nom Fonction dtaille Constructeur

    1 Gnrateur signal RFIDPartie qui gnre le signal et rcupre les numros de PIT Tag Texas Instrument

    2 Datalogger Enregistre les donnes et distribue lnergie sur les autres cartes Oregon RFID

    3 Dmultiplexeur Permet de multiplier par 4 le signal dantenne Texas Instrument

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    Caractristiques et montage des antennes

    Pour ce systme, une antenne est constitue dun fil lectrique de bonne qualit (fil audio, lectronique). Pour former une antenne, il suffit de faire au moins une boucle avec le fil lectrique ou dajouter des spires (des tours) afin daugmenter les caractristiques du cble (inductance, rsistance). Le systme est limit par ces caractristiques : plus lantenne est grande plus le fil lectrique doit avoir une section importante. Il a t constat que la bonne qualit du cuivre qui compose les cbles affecte les caractristiques et augmente la possibilit de faire de grandes antennes. Une fois lantenne forme, il est ncessaire de lquilibrer avec une carte de rglage appele Tuner Board (Figure 4). La carte lectronique est compose principalement dun parc de condensateurs et dune ferrite (bobine avec un noyau amovible). La carte standard fabrique par Texas Instrument a pour limite une inductance allant de 8 80 H (microHenry) (Tableau 4). Les autres cartes de rglages servent pour les plus grands PIT Tags, elles permettent une plus grande plage dutilisation notamment en termes de taille dantenne.

    Figure 4. Carte tuner board Texas Instrument (Photo U3E, INRA). 1 : parc de condensateurs ; 2 : ferrite ; 3 : cavaliers ; 4 : LED de contrle.

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    Tableau 4. Positionnement des cavaliers

    Le Tableau 5 rcapitule les diffrentes tailles dantennes testes exsitu et installes sur sites naturels pour des PIT Tags de 12 mm. En laboratoire, nos tests ont permis de raliser des antennes avec 100 % defficacit de lecture pour diffrentes tailles. Cependant nous avons constat plusieurs reprises quen milieu naturel, les contraintes de terrain et lenvironnement (alimentation lectrique, interfrences) ne permettaient pas dobtenir les mmes rsultats. Il nous a fallu ajuster la taille et la forme des antennes pour limiter linfluence de ces contraintes sur lefficacit de la dtection des antennes.

    Tableau 5. Tailles des antennes testes exsitu et in situ

    Type antenne Section fil Spire Taille L x H Dtection Test exsituPlate (pose sur le fond de la rivire) 4 mm 1 20 x 0,8 m 21 cmCadre (passage au travers) 4 mm 2 4 x 0,60 m 25 cmInstalles in situ (milieu naturel) Bief de Moulin (plate) 4 mm 1 7 x 0,5 m 21 cmCadre (passage au travers) 4 mm 2 3 x 0,8 m 30 cmCadre (passage au travers) 2,5 mm 3 1,50 x 0,50 m 50 cm

    Procdure dinstallation

    Mode opratoire pour linstallation de matriel Oregon RFID :A. Construction de lantenne : positionner les spires de fil lectrique sur un support amovible afin de pouvoir les reformer facilement.

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    B. Relever linductance de lantenne (L en microHenry) avec le RLC mtre (Figure 5) : i. brancher chaque extrmit du cble dantenne les bornes du RLC mtre ;ii. le mettre en marche sur le mode L/C/R et SER ;iii. relever la valeur en H. Cette valeur doit tre comprise entre 8 et 80 H.

    Figure 5. RLC mtre (photo : U3E, INRA).

    Attention les relevs dinductance doivent se faire avant toutes connections (hors tension).C. Brancher le cble antenne sur les bornes extrieures de la carte de rglages. Relier au lecteur avec un cble de type Twinax (bornes A et B sur la carte de rglage) (Twinax : Cble Blind 100 Ohms) (Figure 6). Il ny a pas de polarit pour le cblage. Le systme est limit en longueur totale de Twinax 120 m (30 m pour quatre antennes).

    Figure 6. Branchements du systme (source : http://www.ti.com/lit/pdf/scbu023) (photo : U3E, INRA).

    D. Positionner les cavaliers en fonction de la carte de rglage et de la valeur releve au RLC mtre. Ce rglage permet de sapprocher au plus prs de la frquence de rsonance (Tableau 4 et Figure 4).E. Dvissez la ferrite (composant blanc avec une Vis noire) au maximum jusqu ce quelle touche le botier.

    http://www.ti.com/lit/pdf/scbu023

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    F. Relier le lecteur (cble USB) un ordinateur quip dun logiciel de type Hyper Terminal (Putty, HyperTerminal, Teraterm).G. Mettre lensemble sous tension (brancher lalimentation lectrique ou la batterie). Attention, le lecteur est sous tension, il ne faut pas toucher les cartes lectroniques du lecteur ou la carte de rglage (entre 200 et 500 V pulss).H. Vrifier que la LED rouge dans le lecteur RFID clignote (Figure 7).

    Figure 7. LED statut (photo : U3E, INRA).

    I. Le rglage ntant pas encore fait, lintensit de la LED peuttre faible.J. Pour finir dquilibrer lantenne, dmarrer le logiciel hyper terminal puis entrer la commande AD et la touche Entre (Tableau 6).

    Tableau 6. Dtail de la commande AD

    CommandeRglage interne

    au lecteur

    Intensit antenne 1

    Intensit antenne 2

    Intensit totale

    systme

    Tension systme

    Tension horloge Heure

    AD Rx 0.23 Tx A1 2.67 A2 2.64 EA 1.43 15.0 V 2.6 V 06:26:35.24

    Des paramtres se mettent dfiler. La valeur A1 qui correspond au branchement de lantenne 1 saffiche, elle reprsente la consommation de lantenne.K. Affiner ce rglage en utilisant uniquement un tournevis en cramique pour actionner la ferrite. Trouvez lintensit maximale que le systme peut accepter.

    Si vous arrivez au bout de la ferrite (noyau qui sort du composant), teignez le lecteur et positionnez les cavaliers pour un rglage suprieur (reprendre ltape D).

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    Si lintensit de lantenne ne fluctue pas, vrifier la carte de rglage (position des cavaliers, branchements) pour sassurer que le lecteur reste oprationnel. L. Une fois lantenne rgle, passer un PIT Tag dans le champ de dtection, perpendiculaire au plan de lantenne. Le son mis par le buzzer du lecteur nous indique la dtection de la marque. Jaugez le champ magntique de lantenne avec le Tag, il doit tre dtect sur toute la surface de lantenne.

    Si ce nest pas le cas, prendre un rglage suprieur ou changer la configuration du cble (spire, diamtre, taille de lantenne).

    Lorsque lantenne fonctionne correctement, il ne reste plus qu linstaller sur site, vrifier son efficacit (temps de dtection entre deux Tags) puis le bruit provoqu par les perturbations extrieures (si cest le cas, la LED jaune clignote).

    Retour dexprience

    Caractristiques des systmes mis en place

    Actuellement, quatre systmes RFID de dtection automatique de poissons sont disposs diffrents endroits de nos sites dtudes : sur le Scorff dans le Morbihan (Figure 8 et 9) et sur lOir en Basse Normandie (Figures 10 12). Les largeurs des sections du cours deau o sont installs les systmes RFID varient de 1,5 m 6 m. Cela ncessite parfois de mettre deux antennes cte cte pour couvrir la largeur de la rivire. Elles sont positionnes dans des endroits peu profonds pour permettre leur installation et rpondre aux limites de distance de dtection. Elles sont gnralement doubles : une antenne en aval et une autre en amont pour obtenir le sens de migration des poissons et estimer les efficacits respectives de chacune.

    Problmes rencontrs

    Il ne faut surtout pas utiliser une alimentation dcoupage (la plus courante) car le lecteur ne peut pas fonctionner. La meilleure source dalimentation est lutilisation de batteries, source dalimentation propre (recommande par le fabricant). Cependant pour lacquisition de donnes sur le long terme, cela implique une forte contrainte de surveillance, port de charge, rechargement, gestion Nous avons prfr mettre en place des alimentations sur secteur de type linaire.

    Pendant la priode de test des antennes, il a t constat que des rglages rpts ou le mauvais positionnement des cavaliers crent le blocage dun commutateur sur la carte de multiplexage. Pour viter ces problmes, avant dallumer le lecteur, il faut vrifier le rglage des antennes (se rfrer ltape D de la procdure dinstallation). Dans le cadre dune installation en milieu naturel, il est prfrable de squiper dun deuxime lecteur et de cartes de rglages supplmentaires en cas de blocage (condition de ltape L de la procdure dinstallation).

    Enfin, les bruits gnrs par lenvironnement lectromagntique des sites dtude ont pu tre rsorbs par la mise en place dun filtre EMI (contre les interfrences lectromagntiques) positionn en amont de lalimentation lectrique. De mme, la mise la terre du blindage des cbles Twinax peut tre une solution, ainsi que la rduction de la longueur du cble.

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    Le Scorff

    Figure 8. Passe poisson de Pont Calleck quipe de deux antennes (partie mdiane du Scorff) (photo : U3E, INRA).

    Figure 9. Passe poisson du moulin de St Yves quipe dune antenne (partie en aval du Scorff) (photo : U3E, INRA)

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    LOir

    Figure 10. LOir aval est quip dune srie de deux antennes (photo : U3E, INRA).

    Figure 11. Le ruisseau la Roche, affluent de lOir, est quip son exutoire de deux antennes (photo : U3E, INRA).

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    Figure 12. LOir en aval du moulin de Cerisel est quip de deux antennes qui barrent la rivire. Son efficacit est variable. Elle est perturbe par des bruits lectromagntiques. Le site sera bientt quip dun deuxime rideau qui saccompagnera du rapprochement du lecteur pour en amliorer lefficacit. (Photo : U3E, INRA).

    ConclusionUn certain recul sur la technologie RFID a t acquis par lU3E depuis 1993. Les tudes concernant ce procd ont t ralises sur les sites de lORE Dia PFC o un marquage rgulier des poissons est ralis depuis cette date. Prs de 36 000 PIT Tags ont t poss dans ce cadre. La provenance des informations issues des recaptures de marques sont nombreuses (pche lectrique, pigeage, tracking RFID, lecteur RFID). Elles sont de natures varies (espces, taille, poids, coordonne gographique). Elles alimentent les bases de donnes de lORE Dia PFC. Les donnes issues de ces marquages ont permis la