Laboratoire de Physique de Clermont

Le contexte scientifique du projet ConnecSenS-2 s’inscrit dans la continuité du projet ConnecSenS financé par le CPER en 2016. A la jonction des deux défis AUDACE et SYMBIOSE, il se positionne d’une part dans le domaine des révolutions des technologies numériques (réseaux de capteurs sans fil, web des objets, web des données, grilles de calcul, nuage numérique, grand volume de données, etc…) et soutient d’autre part la mobilisation de la communauté scientifique pour mieux comprendre les dynamiques multi-échelles des écosystèmes et des territoires, mieux gérer les changements planétaires (climat, démographie, urbanisation, migrations, etc..) et concevoir de nouveaux modèles pour aller vers une démarche de développement durable. Le projet ConnecSenS-2 vise à consolider l’instrumentation des sites de recherche avec des équipements complémentaires, mais également à ouvrir le champ scientifique d’intérêt pour ces réseaux de capteurs communicants déployés dans l’environnement (écosystème prairial). De plus, après avoir centré l’intérêt scientifique sur la thématique de l’eau, ce nouveau projet s’intéresse également à celle du sol, pour la modélisation du couplage sol-plante-atmosphère par exemple. En complément des 4 sites instrumentés du projet ConnecSenS (le lac d’Aydat, le bras mort de la rivière Allier à Auzon, l’exploitation agricole de Montoldre et l’ancienne mine d’uranium à Roffin), ce projet viendra ainsi équiper également les prairies expérimentales de Laqueuille.

Les partenaires institutionnels de ce projet sont :

Ce projet est soutenu par CAP2025 et la Fédération des Recherches en Environnement.

Les quatre sites pilotes situés en Auvergne sont :

• le lac d’Aydat,
• le bras mort de la rivière Allier à Auzon
• la zone atelier sur l’ancienne mine d’uranium à Roffin-Lachaux (site web de la ZATU)
• le site de recherche et d’expérimentation en agrosystèmes de Montoldre

Le projet a pour principal objectif de développer les briques technologiques élémentaires du CEBA (Cloud Environnemental pour le Besoin des Agriculteurs) du challenge 1 du projet CAP 20-25. Ces briques sont principalement les suivantes :

• Développement de nœuds intelligents communicants permettant de collecter de manière fiable des données de qualité in situ.
• Mise au point de protocoles de communication répondant aux besoins du monitoring environnemental.
• Mise au point des méthodes génériques d’exploitation des données mobilisant notamment les approches sémantiques.

Le deuxième objectif est de pouvoir mettre en œuvre de manière concrète les solutions technologiques en les déployant sur différents sites représentatifs de données de nature diverses (sol, eau, température...).

En outre, dans la lignée du projet ConnecSenS, le projet présente un caractère structurant fort pour la place clermontoise, car il fédère des laboratoires de disciplines très différentes (biologie, physique, géologie, informatique, agronomie, géographie). Cette démarche collective, pluri disciplinaires, est originale au niveau national et au-delà.

Les résultats attendus sont multiples :

• Le déploiement d’une plateforme de collecte de données d’envergure servant de support à des recherches environnementales et s’inscrivant pleinement dans le cadre du CEBA.
• Des avancées scientifiques sur les questions de protocole de communication bi-directionnel, enjeu important pour l’Internet des Objets qui manque encore de données pour qualifier ces technologies (thèse 1).
• La mise au point de méthodes de qualification de la qualité des données, question de recherche d’actualité importante (Post Doc).
• Des propositions de requêtage de données au sein du Cloud mobilisant les technologies du web sémantique seront investiguées (thèse 2).

Pour atteindre les objectifs du projet ConnecSenS-2, les équipements suivants ont été acquis afin de constituer des plateformes instrumentales performantes de terrain :

Plateforme EAU

• Sonde verticale mobile permettant les mesures sur toute la hauteur de la colonne d’eau du lac d’Aydat,
• Piézomètres pour la mesure des hauteurs d’eau souterraine et la mesure des paramètres physico-chimiques,
• Capteurs de températures de l’eau,
• Sonde de conductivité ionique pour l’eau,
• Sonde de mesure de teneur en chlorophylle (indice NDVI) permettant l’extraction d’une valeur de biomasse,
• Sonde de mesure de la teneur en oxygène dissout sur l’ensemble de la colonne d’eau,

Plateforme GAZ A EFFET DE SERRE

• Remorque de terrain,
• Analyseur CO2-H20,
• Pompe pour CH4,

Plateforme RAYONNEMENT SOLAIRE

• Anémomètre sonique 2D,
• Sonde température et humidité,
• Capteur PAR
• Pyranomètre
• Mesure de rayonnement net
• Centrale de mesure
• Rainshelter

Plateforme ALIMENTATION

• Batteries, chargeurs et onduleurs,

Plateforme RESEAU ET DONNEES

• Passerelle de communication LoRaWAN,
• Noeuds de communication enterrés,
• Stockage de données

Deux thèses et un post-doc sont financés sur le projet.

Sujet 1 (thèse)

Techniques de décodage pour annuler les collisions dans LoRaWAN dans un réseau en étoile ou multi-sauts

Encadrement : Gil De Sousa (INRAe), Nancy El Rachkidy (LIMOS), Alexandre Guitton (LIMOS)

Doctorant : Weixuan XIAO

Début des travaux : avril 2020

Production scientifique :

  [J1] W.Xiao, M.Kaneko, N.El Rachkidy, et A.Guitton. “Integrating LoRa Collision Decoding and MAC Protocols for Enabling IoT Massive Connectivity,” IEEE Internet of Things Magazine (IOTM), vol. 5, no. 3, pp. 166—173, 2022. doi : 10.1109/IOTM.001.2200055.
  [C1] W.Xiao, G.De Sousa, N.El Rachkidy, et A.Guitton, “An Open-Source GNU Radio Framework for LoRa Physical Layer and Collision Resolution”, dans VTC Fall (IEEE Vehicular Technology Conference), 2022. Rang B.
  [C2] W.Xiao, N.El Rachkidy, et A.Guitton, “SF-DS : A Slot-Free Decoding Scheme for Collided LoRa Transmissions”, dans VTC Spring (IEEE Vehicular Technology Conference), 2022. Rang B.
  [C3] W.Xiao, N.El Rachkidy, et A.Guitton, “Recovering colliding LoRa frames from uncertainties using LoRa coding,” dans LCN (IEEE Local Computer Networks), 2021. Papier court. Rang B.

Sujet 2 (thèse)

Une approche sémantique pour l’intégration et l’interrogation des données : application dans le cadre du CEBA

Encadrement : F. Pinet (INRAe), M.A Kang (LIMOS), D. Sarramia (LPC)

Doctorant : Thi Thu Trang NGO

Début des travaux : février 2020

Production scientifique :

  NGO, T., SARRAMIA, D, KANG, M.A., PINET, F - 2023. A New Approach Based on ELK Stack for the Analysis and Visualisation of Geo-Referenced Sensor Data. Accepted. To appear in : Springer Nature Computer Science. 27 pages.
  NGO, T., SARRAMIA, D, KANG, M.A., PINET, F - 2021. An Analytical Tool for Georeferenced Sensor Data Based on ELK Stack. 7th International Conference on Geographical Information Systems Theory, Applications and Management (GISTAM 2021), 8 pages.

Sujet 3 (Post-doc)

Couplage des régimes thermiques rivière/zone humide/lac et validation des réseaux de capteurs mis en place

Encadrement : GEOLAB & LMGE

Début des travaux : début 2021, de durée 24 mois

Production scientifique :

  Larvy Ulysse, Latour Delphine, Sarramia David, Voldoire Olivier, Noirmain Fanny, Comte Eloise, Roussel Erwan - (à soumettre) - Restored wetland effects on lake water temperature : Perspectives for futur cyanoHABs threats
  Larvy Ulysse, Latour Delphine, Roussel Erwan - 2022 - AyDATA - Modélisation de la qualité de l’eau du bassin versant du lac d’Aydat (WASP) sur la base des données d’observation (2018-2021) du réseau ConnecSens. Journée de la Fédération de Recherche en Environnement, 28 novembre 2022, MSH de Clermont-Ferrand.
  Larvy Ulysse, Latour Delphine, Roussel Erwan - 2022 - Modélisation de la qualité de l’eau du bassin versant du lac d’Aydat (WASP). Séminaire "Flux entre agrosystèmes et écosystèmes naturels", 9 et 10 juin 2022, Besse-en Chandesse

ConnecSenS, a Versatile IoT Platform for Environment Monitoring : Bring Water to Cloud

Visite du site d’observation du lac d’Aydat le projet Terra Forma

Projet du Cloud Environnemental CEBA (wiki)

Le projet de recherche CIDEA

Projet CAP20-25

Projet ConnecSenS

Ce projet n’aurait pas pu être possible sans le soutien de :