Le cas de la culture localisée et en intérieur
Avant d'explorer le développement de systèmes de culture localisés et connectés au cloud, il est important de comprendre les avantages potentiels de la culture en intérieur. Les trois principaux avantages sont :
1. Amélioration de la disponibilité des produits :
La demande mondiale de fruits, de noix, de légumes et de verdure non indigènes peut être satisfaite plus rapidement et plus efficacement si ces cultures sont produites localement. Cela contribuera également à réduire l’empreinte carbone liée au transport des aliments : même si cela ne diminue pas nécessairement l’impact environnemental des opérations, cela contribuera certainement à renforcer la sécurité alimentaire et la disponibilité de produits qui, autrement, seraient transportés sur de longues distances. Parmi les autres avantages, citons l’allongement de la saison de croissance, la disponibilité de certaines cultures vivrières tout au long de l’année et la capacité de maintenir une production alimentaire mondiale efficace malgré les aléas climatiques.
2. Réduction de la destruction des habitats.
Un développement des cultures hors-sol non céréalières pourrait également contribuer à réduire la destruction des habitats. Bien que cela puisse susciter la controverse, il existe des raisons convaincantes pour lesquelles l'agriculture est souvent négligée en tant que menace pour les habitats et l'environnement, l'attention se concentrant principalement sur l'aménagement du territoire et la déforestation par l'industrie du bois. Selon le WWF (Fonds mondial pour la nature), « la Terre perd 18,7 millions d'acres de forêt chaque année » en raison de ces trois principaux facteurs, et « environ 50 % des terres habitables de la planète ont été converties en terres cultivées ». Les principaux usages des terres comprennent le pâturage et l'élevage, les exploitations agricoles à grande échelle et la culture de légumes et de céréales destinés à la consommation humaine, dont plus d'un tiers est consacré à la production de cultures fourragères, telles que le maïs, l'orge, l'avoine, le sorgho et le soja. Il devient de plus en plus évident que les techniques agricoles consommatrices de vastes superficies ne sont pas durables.
3. Une alimentation plus saine.
Outre la réduction des surfaces agricoles nécessaires aux techniques traditionnelles, la durabilité environnementale et la culture en intérieur peuvent contribuer à promouvoir une alimentation plus saine. Il est médicalement établi que, bien qu'omnivore, l'être humain se porte mieux avec un régime alimentaire composé d'un mélange de légumes, de fruits et de noix, et une consommation réduite de viande. L'adoption généralisée de ce régime alimentaire entraînerait une réduction significative de la production d'aliments pour le bétail et permettrait ainsi une transition fondamentale vers un mode de vie durable pour la population mondiale. De plus, cela pourrait réduire le nombre de têtes de bétail élevées, ce qui diminuerait les besoins en transport de denrées alimentaires et les émissions de gaz à effet de serre (GES). Selon l'Organisation des Nations Unies pour l'alimentation et l'agriculture (FAO), l'élevage mondial est responsable de 14,5 % des émissions anthropiques totales de GES.
L'agriculture verticale et l'agriculture intérieure à grande échelle n'en sont qu'à leurs débuts. Si l'approche la plus courante consiste à déployer des structures intérieures, comme des serres, sur de vastes superficies, on observe une tendance croissante à construire des structures agricoles verticales sur mesure, notamment des usines ou des entrepôts réaménagés en bâtiments à plusieurs étages. Ceci permet une utilisation plus efficace et pragmatique du foncier pour la culture de plantes autres que les céréales. L'agriculture verticale est également bien adaptée à l'élevage de volailles, offrant ainsi une source de viande potentiellement plus viable.
La culture à grande échelle, en intérieur comme en extérieur, requiert plusieurs conditions préalables. Reproduire et maintenir les conditions naturelles exige du cultivateur un suivi régulier de paramètres tels que la température, l'éclairage artificiel, l'humidité, l'humidité du sol et, en hydroponie/aéroponie, les nutriments. Les cultivateurs les plus exigeants disposent de plusieurs bâtiments abritant des environnements clos, chacun devant être optimisé pour ces conditions de culture. Cela implique l'utilisation de capteurs connectés au cloud pour mesurer en continu les conditions environnementales et transmettre les données à une station de surveillance centrale.
Meilleures pratiques pour le déploiement du système
La première étape consiste à établir un registre des conditions externes, indigènes ou non, qui servira de point de référence pour effectuer les ajustements environnementaux nécessaires.
Ensuite, il convient de décider du type de réseau à déployer. Avec la disponibilité croissante de l'IoT pour la connectivité des capteurs, il est judicieux de déployer un réseau géré par un concentrateur ou une passerelle centrale communiquant avec un contrôleur ou un ordinateur local (voir figure 1). Ce contrôleur permet de transférer les données vers le cloud pour une analyse plus approfondie. Le cloud peut être propriétaire ou proposé comme service par un fournisseur établi ou émergent.
Un agriculteur peut juger inutile de réagir instantanément aux données des capteurs. Dans ce cas, le cloud peut émettre des commandes ou des actions dans un délai acceptable. Toutefois, si une latence minimale, voire nulle, est requise entre l'envoi des données des capteurs et l'exécution d'une action ou d'une commande par l'ordinateur central, l'agriculteur peut utiliser un contrôleur périphérique entre la passerelle et le cloud afin d'accélérer le passage de l'analyse à l'action. En définitive, plus le contrôle environnemental est précis, meilleures seront les récoltes.
La mise en œuvre du edge computing se divise en deux parties : le back-end et le front-end. Chacune joue un rôle essentiel dans l'optimisation de la production agricole en circuit fermé. Le back-end englobe à la fois le edge computing et le cloud computing, tandis que le front-end comprend le réseau de capteurs et la passerelle. Un écosystème de fournisseurs de matériel et d'intégrateurs de systèmes se développera afin de fournir tous les composants nécessaires à cette architecture de solution, pour un nombre croissant d'applications et de cas d'usage de l'Internet des objets (IoT) dans divers secteurs. Le réseau de capteurs est particulièrement important, car il sera positionné au plus près des cultures, surveillant leur environnement et collectant des données à transmettre à la passerelle. Il est également crucial que chaque nœud de capteur soit simple, fiable, facile à entretenir, économe en énergie pour optimiser l'autonomie de la batterie, et qu'il communique avec la passerelle et, enfin, avec le fournisseur de services cloud via différentes méthodes de connectivité sans fil.
L'élément de connectivité sans fil privilégié sera le Bluetooth® Low Energy (BLE) ou la nouvelle norme Wi-Fi® basse consommation 802.11ah. Ceci permettra aux solutions de fonctionner sur des bandes de fréquences non soumises à licence et de communiquer sur des distances typiques de culture en intérieur, de 10 à 100 mètres. La norme 802.11ah offre la plus grande portée, jusqu'à 1 kilomètre. Les débits de données du BLE et du Wi-Fi 802.11ah sont respectivement de 10 à 10 Mbit/s et de 50 à 100 kbit/s, offrant une bande passante suffisante pour les différents paramètres de données mesurés.
Il est essentiel que le nœud de capteur bénéficie d'une sécurité renforcée. Comme dans toute entreprise, de nombreux agriculteurs et grands groupes pratiquent la culture en intérieur ou sont impliqués dans l'industrie de l'électrolyse de l'eau à grande échelle. Toute information permettant à un fournisseur d'obtenir un avantage concurrentiel se traduit par une augmentation de son chiffre d'affaires et de ses bénéfices. La volonté et la capacité de pirater un réseau sans fil pour acquérir des données conférant cet avantage sont largement reconnues et comprises. La meilleure façon d'atténuer ce risque est d'utiliser une solution matérielle capable de chiffrer et d'authentifier à la fois les données et le nœud. Les solutions logicielles ou micrologicielles sont, quant à elles, reconnues comme vulnérables aux attaques de pirates informatiques.
Les concepteurs et fabricants de nœuds de capteurs baseront leurs offres sur des solutions silicium facilitant la conception de systèmes conviviaux, modulaires et évolutifs, avec une faible consommation d'énergie, une sécurité renforcée et la flexibilité nécessaire pour prendre en charge les options de connectivité sans fil requises. Ces fournisseurs collaborent également activement avec les principaux fournisseurs de services cloud. Si la solution doit être compatible avec tous les clouds, le fournisseur doit pouvoir la configurer pour communiquer avec un cloud propriétaire offrant toutes les fonctionnalités requises.
Un exemple de ce type de solution est la plateforme de développement Google Cloud IoT Core proposée par Microchip Technology (voir figures 2 et 3). Les cartes de développement combinent un microcontrôleur, un élément sécurisé et un contrôleur de réseau Wi-Fi certifié pour offrir la méthode la plus simple et la plus efficace pour connecter des nœuds de capteurs à la plateforme Google Cloud IoT Core. Les utilisateurs peuvent se connecter directement à Google Cloud, préconfiguré avec un compte sandbox gratuit, ou à un environnement sandbox virtuel pour visualiser les données de luminosité et de température. Des capteurs supplémentaires peuvent être connectés en option grâce aux cartes d'extension MikroElektronika Click™, largement disponibles, qui facilitent l'intégration de fonctionnalités additionnelles.
Une meilleure façon de nourrir la planète : les environnements contrôlés
(EC) et l’agriculture verticale offrent la perspective d’une production alimentaire mondiale plus sûre, plus fiable et plus efficace, sur une surface géographique considérablement réduite par rapport aux méthodes agricoles traditionnelles. Pour concrétiser cette promesse, il est indispensable de disposer de technologies de contrôle environnemental capables, à grande échelle, de garantir un environnement de culture vertical stable pour les plantes non indigènes. Parmi ces technologies, le réseau de capteurs qui collecte et transmet les données des capteurs de surveillance environnementale vers et depuis le cloud pour traitement et analyse est essentiel. Des solutions rapidement déployables ont été mises en place avec les principaux fournisseurs de services cloud pour répondre à ces exigences, offrant ainsi des moyens simples et flexibles de prendre en charge une variété d’applications et de cas d’usage liés aux EC et à l’agriculture verticale.
Agriculture en environnement contrôlé (AEC) : une approche technologique de la production alimentaire. L’objectif de l’AEC est de protéger et de maintenir des conditions de croissance optimales pour une culture tout au long de son développement. La production a lieu dans une structure de culture fermée, comme une serre ou un bâtiment. Les plantes sont généralement cultivées en hydroponie afin d’apporter les quantités appropriées d’eau et de nutriments à la zone racinaire. L’AEC optimise l’utilisation des ressources telles que l’eau, l’énergie, l’espace, le capital et la main-d’œuvre. Les technologies d’AEC comprennent l’hydroponie, l’aquaculture et l’aquaponie. Les variables contrôlables sont : la température (de l’air, de la solution nutritive et de la zone racinaire) ; l’humidité relative (%) ; le dioxyde de carbone (CO₂) ; la lumière (intensité, spectre, longueur d’onde) ; la concentration en nutriments (parties par million, ou ppm, et conductivité électrique, ou CE) ; les engrais ; et le pH (acidité) de la solution nutritive. Les installations CEA peuvent aller de serres entièrement automatisées avec commandes informatiques pour l'irrigation, l'éclairage et la ventilation, à des solutions plus simples comme des films ou des couvertures en plastique, appelés cloîtres, qui sont placés sur les cultures dans le champ, et des tunnels recouverts de plastique.
