Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments - TEL - Thèses en ligne Accéder directement au contenu
Thèse Année : 2021

Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments

Architectures et protocoles de communication pour surveiller et contrôler la qualité de l'eau et l'irrigation dans les environnements agricoles

Résumé

The introduction of technological solutions in agriculture allows reducing the use of resources and increasing the production of the crops. Furthermore, the quality of the water for irrigation can be monitored to ensure the safety of the produce for human consumption. However, the remote location of most fields presents a problem for providing wireless coverage to the sensing nodes and actuators deployed on the fields and the irrigation water canals. The work presented in this thesis addresses the problem of enabling wireless communication among the electronic devices deployed for water quality and field monitoring through a heterogeneous communication protocol and architecture. The first part of the dissertation introduces Precision Agriculture (PA) systems and the importance of water quality and field monitoring. In addition, the technologies that enable wireless communication in PA systems and the use of alternative solutions such as Internet of Underground Things (IoUT) and Unmanned Aerial Vehicles (UAV) are introduced as well. Then, an in-depth analysis on the state of the art regarding the sensors for water, field and meteorology monitoring and the most utilized wireless technologies in PA is performed. Furthermore, the current trends and challenges for Internet of Things (IoT) irrigation systems, including the alternate solutions previously introduced, have been discussed in detail. Then, the architecture for the proposed system is presented, which includes the areas of interest for the monitoring activities comprised of the canal and field areas. Moreover, the description and operation algorithms of the sensor nodes contemplated for each area is provided. The next chapter details the proposed heterogeneous communication protocol including the messages and alerts of the system. Additionally, a new tree topology for hybrid LoRa/WiFi multi-hop networks is presented. The specific additional functionalities intended for the proposed architecture are described in the following chapter. It includes data aggregation algorithms for the proposed topology, an overview on the security threats of PA systems, energy-saving and fault-tolerance algorithms, underground communication for IoUT, and the use of drones for data acquisition. Then, the simulation results for the solutions previously proposed are presented. Finally, the tests performed in real environments for the presented heterogeneous protocol, the different deployment strategies for the utilized nodes, the energy consumption, and a functionality for fruit quantification are discussed. These tests demonstrate the validity of the proposed heterogeneous architecture and communication protocol.
L'introduction de solutions technologiques en agriculture permet de réduire l'utilisation des ressources et d'augmenter la production végétale. De plus, la qualité de l'eau d'irrigation peut être surveillée pour assurer la sécurité des produits destinés à la consommation humaine. Cependant, l'emplacement éloigné de la plupart des champs présente un problème pour fournir une couverture sans fil aux nœuds de capteurs et d'actionneurs déployés dans les champs et les canaux d'eau d'irrigation. Le travail présenté dans cette thèse aborde le problème de permettre la communication sans fil entre les dispositifs électroniques déployés pour la surveillance de la qualité de l'eau et le terrain à travers un protocole et une architecture de communication hétérogènes. La première partie de cette thèse présente les systèmes d'agriculture de précision (AP) et l'importance du suivi des champs et de la qualité de l'eau. De même, les technologies qui permettent la communication sans fil dans les systèmes de sonorisation et l'utilisation de solutions alternatives telles que l'Internet des objets souterrains (IoUT) et les véhicules aériens sans pilote (UAV) sont également introduites. Ensuite, une analyse approfondie de l'état de l'art est effectuée en ce qui concerne les capteurs pour la surveillance des conditions d'eau, de terrain et météorologiques, ainsi que les technologies sans fil les plus utilisées en AP. En outre, les tendances et les défis actuels des systèmes Internet des objets (IoT) pour l'irrigation, y compris les solutions alternatives introduites précédemment, ont été traités en détail. Ensuite, l'architecture proposée pour le système est présentée, qui comprend les zones d'intérêt pour les activités de surveillance, y compris le canal et les zones de terrain. A leur tour, la description et les algorithmes de fonctionnement des nœuds capteurs envisagés pour chaque zone sont fournis. Le chapitre suivant détaille le protocole de communication hétérogène proposé, y compris les messages système et les alertes. De plus, une nouvelle topologie arborescente pour les réseaux hybrides LoRa / WiFi multi-sauts est présentée. Des fonctionnalités spécifiques supplémentaires conçues pour l'architecture proposée sont décrites dans le chapitre suivant. Ceux-ci incluent des algorithmes d'agrégation de données pour la topologie proposée, un aperçu des menaces de sécurité pour les systèmes de sonorisation, des algorithmes d'économie d'énergie et de tolérance aux pannes, une communication souterraine pour l'IoUT et l'utilisation de drones pour l'acquisition de données. Ensuite, les résultats des simulations pour les solutions proposées ci-dessus sont présentés. Enfin, les tests réalisés en environnement réel pour le protocole hétérogène présenté, les différentes stratégies de déploiement des nœuds utilisés, la consommation d'énergie et la fonction de quantification des fruits sont discutés. Ces tests démontrent la validité de l'architecture et du protocole de communication hétérogènes qui ont été proposés.
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2021MULH4787_these_GARCIA.pdf (175.93 Mo) Télécharger le fichier
Origine : Version validée par le jury (STAR)

Dates et versions

tel-03633621 , version 1 (07-04-2022)

Identifiants

  • HAL Id : tel-03633621 , version 1

Citer

Laura García García. Architecture and communication protocol to monitor and control water quality and irrigation in agricultural environments. Construction hydraulique. Université de Haute Alsace - Mulhouse, 2021. English. ⟨NNT : 2021MULH4787⟩. ⟨tel-03633621⟩
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