Une sonde piézométrique immergée couplée à un microcontrôleur ESP32 permettant une communication in situ avec un smartphone ou une tablette.
La conception de ce datalogger initialement prévu pour enregistrer les données d'une sonde piézométrique permet d’envisager un déploiement conséquent pour l’instrumentation des milieux naturels. Le logger peut très simplement accepter d’autre capteurs analogiques et numériques (I2C, SPI, UART…) pour des mesures variées de l’environnement : ultra-son pour hauteur d’eau des rivières, qualité de l’air (CO2, PM, COV…), qualité de l’eau (T°, conductivité, turbidité…), sol (température, humidité ...), station météo… Il est également performant pour la communication sans fil et pourrait s’intégrer dans une architecture réseau de type LoRaWAN pour un suivi à distance.
Ce modèle présente l'avantage de ne pas nécessiter la présence d'une sonde barométrique à proximité des piézomètres d'un site et ne nécessite pas une interface propriétaire, ni une application particulière pour enregistrer les données.
Caractéristiques techniques du data logger et de la sonde
Principe général
Le dispositif d’enregistrement piézométrique développé est composé deux parties indépendantes :
· Un enregistreur de données « data logger » (fig. 2), autonome en énergie pourvu d’une connexion wifi et d’une interface web. C’est son développement qui est au cœur du projet. Un boitier imprimé en 3D (PETG) permet sa protection et sa mise en place dans le tube du piézomètre (fig 1)
· Une sonde piézométrique immersible (fig. 3). Celle-ci est connectée au data logger par un câble et une broche. Elle est également pourvue d’un tuyau afin de compenser mécaniquement la pression atmosphérique au moyen d’un capteur différentiel. Nous l’avons sélectionnée et achetée chez un constructeur spécialisé en chine (WNK sensors).
Le raccordement des deux se fait au moyen d’un connecteur « aviation » trois broches. (fig. 7)
La mise en place sur le terrain dans des sols hydromorphes est comparable aux sondes « classiques » type SDEC, dans un tube PVC entouré de géotextile (fig. 1).
Le data logger
Le dispositif est conçu autour de la carte DFRobot Firebeetle équipée du microcontrôleur ESP32. Nous exploitons au maximum les fonctions et les composants embarqués afin de minimiser l’ajout de composants externes. Cette conception permet de réduire les coûts, la consommation électrique, le temps de conception et la taille du data logger. Le circuit (fig. 4) est finalement très simple.
Le but du data logger est d’exploiter la sonde piézométrique pour acquérir les données de hauteur d’eau. La fréquence de mesure est paramétrable dans le fichier config.json (en minutes). Moins de 3 secondes sont nécessaires pour réaliser une acquisition de données Entre deux mesures le dispositif est donc mis en veille (consommation en phase de mesure env. 80mA , en veille < 20µA). Équipé d’une batterie lithium d’une charge moyenne de 3200mAh le calcul d’autonomie du data logger dépasserait les 8 ans sans considérer la décharge spontanée de celle-ci.
La sonde
C’est un capteur de pression différentiel au silicium fonctionnant sur l’effet piézométrique. La réponse électrique est proportionnelle à la contrainte mécanique exercé par la pression de la colonne d’eau. La mesure est analogique : elle varie sur l’intervalle 0.1-3.2V. La sonde contenant le capteur est construite en acier inoxydable, elle assure un indice d’étanchéité IP68. Un câble permet l’alimentation et la communication avec le data logger ainsi qu’une prise d’air atmosphérique pour le capteur différentiel (fig. 6). Il n’est donc pas nécessaire de compenser la pression atmosphérique a posteriori avec la pression barométrique pour déterminer la hauteur d’eau.
Ces sondes sont commandées personnalisées chez le constructeur chinois WNK (référence : 8010TT). Nous avons ainsi choisi une gamme de pression de 0-1mH2O, une tension d’alimentation de 3.3V, une sortie analogique 0.1-3.2V, une longueur de câble de 2m (recoupé a 1.15m ensuite). La justesse de mesure annoncée est de ±5mm et la stabilité de ±2.5mm/an. Elles supportent des environnements corrosifs (tel que les eaux acides d’une tourbière) et fonctionnent entre -20 et 85°C.
Communication
Le choix du mode de communication avec le dispositif s’est porté vers un serveur web. Les ESP32 sont destinés aux utilisations IoT et sont donc performant pour toutes les applications Wifi et web. Le serveur web permet une interface dynamique et ergonomique, nous avons donc conservé cette option et opté pour la bibliothèque déjà implémenté par Expressif dans l’API arduino-esp32 : WebServer.h. Plusieurs pages ont ensuite été éditées en langage html.
Deux types de connexion WiFi sont possible :
· STA (mode Station fig. 4): Le data logger se connecte à un réseau WiFi fournit par un Router (ex : box internet du bureau). Le client (ordinateur, smartphone) est également connecté à ce même réseau local et accède au serveur hébergé par le datalogger au moyen d’une adresse IP fixe. Si le Router dispose d’une connexion internet alors la date et l’heure du data logger sont mis à jour via un server NTP. Ces paramètres wifi sont enregistrés dans le fichier config.json
· AP (mode Acces Point, fig. 5) : Le data logger crée lui-même un réseau WiFi local. Le client vient se connecter à ce réseau et peut également accéder au serveur du data logger. Ce mode permet de se connecter directement au datalogger sur le terrain sans passer par un router. Il ne permet cependant pas de mettre à jour l’heure et la date, puisque le réseau n’est pas connecté à internet.
Fournitures & fichiers
ESP32 DFRobot FireBeetle ESP32
Résistance 50 kΩ
interrupteurs à bouton-poussoir normalement ouverts (NO) - 6mm
Montage
Réaliser le montage (fig. 6). La broche GPIO36 (ADC1_CHANNEL_0) de l’ESP32 sur la carte FireBeetle est reliée à un pont de résistance (1MΩ + 1MΩ) (cf fig. 7) connecté aux bornes de la batterie. Une lecture analogique de cette entrée permet ensuite de connaitre la tension de batterie en multipliant par un facteur 2 (loi de Kirchhoff). Il faudra néanmoins fermer le circuit en court-circuitant les résistances R10 et R11 de 0Ω en réalisant deux soudures délicates (fig. 8).
Placer le montage dans le boitier. Attention au connecteur 3 broches qui s’assemble par l’extérieur (fig. 9) . La carte Firebeetle s’emboite dans son emplacement, aucune vis ou colle n’est à prévoir pour le montage.
Instructions de configuration
Ouvrir le fichier data/config.json avec un éditeur de texte classique (bloc-notes windows par exemple) et configurer l’ensemble des paramètres voulus. Ceux-ci sont stockés indépendamment du code compilé, il est donc possible de les modifier par la suite.
SSID : nom du réseau (connexion STA)
pass : mot de passe (connexion STA)
Piezo_name : le nom de la sonde (et pas du logger !)
Sauvegarder
Ouvrir le code ESP32dataloggerINO.ino avec ArduinoIDE 1.8 et connecter le logger en USB.
Renommer le datalogger ligne 28 (#define PiezoRef "nom_piezo")
Modifier éventuellement les paramètres de connexion AP (voir document descriptif pour connexion AP et STA)
Nom du réseau ligne 49 : *ap_ssid
Mot de passe ligne 50 : *ap_password
La TimeZone si le fuseau horaire est différent de la France métropolitaine. (Ligne 82)
La fonction de calibration signal analogique ~ grandeur physique mesurée si l’utilisation est différente de la sonde piézométrique WNK8010TT (log_data ligne 387 & HomePage ligne 575)
Sélectionner dans le menu « outils » la carte DFRobotESP32Arduino/ESP32 FireBeetle ESP32 (fig.10 jaune). Choisir ensuite PartitionScheme/No OTA (1Mb APP/3MB SPIFFS). (fig.10 violet)
Toujours dans le menu « outils », transférer le fichier de configuration avec la fonction « ESP32 sketch Data Upload ». (fig.6 rouge) En cas de difficultés se reporter
Téléverser le code.
Ouvrir le moniteur Serial (baudrate 115200) puis appuyer sur le bouton pour réveiller le data-logger. Vérifier qu’aucune erreur n’apparait:
SPIFFS et JSON fonctionnels (dans le cas inverse, le logger ne fonctionne pas et n’affichera pas la suite)
L’initialisation et la calibration du cristal 32KHz (fig. 11 rouge)
La connexion WiFi AP et STA (connexion WiFi au réseau local est bien établie « connected to SSID», « STA status = 3 » ; (fig. 11 bleu).
En cas de difficultés pour le datalogger de se connecter à internet (horloge non mise à jour) ou si le serveur est inaccessible en STA alors que la connexion est valide, le problème est probablement imputable à l’adressage IP statique. Dans ce cas:
Commenter les lignes suivantes pour désactiver l’adressage IP statique (ligne 913)
Téléverser à nouveau le code, ouvrir le port Serial et réveiller le logger
Récupérer les informations sur le réseau (fig. 11 bleu) et mettre à jours les paramètre d’IP statique ligne 56
Gateway (Gateway IP)
Subnet (Subnet Mask)
Local_IP (ESP32 IP)
Décommenter les lignes 913 pour réactiver l’adresse IP statique. C’est sur celle-ci (ici ) que sera maintenant accessible le serveur du data logger sur le réseau actuel.
Téléverser à nouveau le code et vérifier le bon fonctionnement.
Dans le cas d’un réseau créé via un point d’accès smartphone (utilisation sur le terrain), les paramètres réseaux sont habituellement de la forme:
Le mode AP
Sur le terrain, il est plus simple d’établir une connexion directe avec le data-logger plutôt que de passer par un router. Dans ce cas la procédure est la suivante
Réveiller le data-logger en appuyant sur le bouton
Sur le smartphone ou la tablette, rechercher le réseau WiFi « ESP32 » et s’y connecter (mot de passe par default scopsagne) (fig. 12)
Ce réseau n’a pas internet. Certains smartphones vont alors proposer d’utiliser les données mobiles ou simplement se déconnecter. Il faut refuser.
Accéder à la page (essayer différents navigateurs en cas de difficultés)
Cette page d’accueil affiche (fig. 13):
o Le nom du logger (piezo test 1)
o Le nom de la sonde (test)
o L’heure et la date
o Le niveau d’eau lu (autour de 1cm une fois initialisé, et non 0 car la linéarité du convertisseur ADC n’est pas très bonne dans les 5 premiers et derniers centimètres.)
o Le niveau de batterie (env. 4.2V si chargé)
o Les liens vers les autres pages (initialisation, directory…)
Utilisation
Une fois le datalogger configuré au bureau ou en mode STA avec connexion internet il est important de ne pas réinitialiser le logger par un appui sur le bouton Reset ou en débranchant la batterie, sous peine de remise à zéro de l’horloge (01/01/1970).
Mise en place sur le terrain :
Connecter la sonde configurée dans le fichier config.json au logger.
Réveiller le logger
Se connecter en mode AP puis au serveur
Pour récupérer des données enregistrées:
Se connecter au logger (AP ou STA)
Aller sur la page directory
Copier le nom du fichier de données (ex : test_piezo_test1.csv, fig. 14)
Pour reconfigurer le logger via le serveur:
Télécharger le fichier config.json (même procédure que pour les données)
Le modifier avec un éditeur de texte
Le transférer à nouveau sur le logger via la page Upload. Le nouveau fichier de configuration doit avoir un nom identique (config.json) et il remplacera automatiquement l’ancienne version.
Zero_lvl : la tension d’initialisation. Ne pas modifier sans raison particulière
Sleep_time : le temps de mise en veille entre deux mesures (en minutes)
L’initialisation NTP de l’horloge (fig.11 jaune), connexion internet nécessaire.
Se connecter au serveur web à l’adresse IP du logger (ici http://192.168.0.32) en mode STA
Vérifier les informations de la page d’accueil
Hors du « puit piézométrique », initialiser la sonde (bouton Initialize). Cette étape défini la référence atmosphérique de la sonde et permettra de débuter les mesures le lendemain à 00 :00 afin de synchroniser l’ensemble des instruments sur site.
Déconnecter le logger (bouton disconnect)
Coller dans le champ de la page download et valider (fig. 15)
Le navigateur enregistre le fichier.
Retourner sur la page d’accueil et vérifier le bon fonctionnement.
Echo sondeur couplé à un GPS pour relever les profondeurs d'un plan d'eau
Conception Jacques THOMAS Pecnot'Lab - groupe Eïwa 2021
Caractéristiques
plage de profondeur: 0.5 m à 50 m
angle: 30 °
résolution: 1 cm à 2 m, 25 cm à 50 m
Fournitures et fichiers
Câblage et montage
Fonctionnement
Brancher la batterie après avoir vérifié qu'elle est bien chargée. Se placer sur l'eau dans un endroit dégagé et immerger l'échosondeur (entre 10 et 20 cm sous la ligne de flottaison). Mettre en tension le bathymètre. Pendant quelques instants (30 s à froid) le GPS va chercher sa position. L'écran indique "mauvaise qualité de signal". Quand la position est stabilisée, le bathymètre mesure la profondeur de l'eau. Si elle est supérieure à 50 cm et que le signal est de bonne qualité, l'appareil enregistre les données toutes les 4 secondes. Si le signal du GPS ou de l'échosondeur sont dégradés l'appareil bip et la led rouge reste fixe, sinon led rouge et verte clignotent en alternance. Il est possible de couper le buzzer avec l'interrupteur prévu (préférable notamment lors de la recherche initiale de la position). Les paramètres de signal dégradé de fréquence d'enregistrement peuvent être modifiés dans le code.
Variables enregistrées
horodatage GMT; latitude; longitude; variable fix; nbre de satellites; profondeur; qualité du signal
Capteur du niveau piézométrique d'une nappe permettant l'enregistrement des données et leur sauvegarde sur une carte SD. Installé dans un tube piézométrique (dans une zone humide par exemple).
Conception Jacques THOMAS Pecnot'Lab - groupe Eïwa 2019-2021
ATTENTION, travail en cours non finalisé. Adaptation des tensions du circuit nécessaire et contrôle du calibrage.
Depuis le développement des microcontrôleurs ESP32 la conception d'un datalogger peut être simplifiée et rendue plus efficiente. Voir le projet Piézomètre V2
Convient aussi pour les mesures de conductivité hydraulique verticale comme les dispositifs double ou simple anneau (Beerkan).
port 1 = pression, port 2 = référence (atm.) . P1> P2 Le modèle différentiel peut être remplacé par la version jauge qui compare une pression appliquée à la pression atmosphérique directement
attention bien choisir la tension de service Vs du capteur (3.3 ou 5 v)
Variables
Enregistre au format CSV avec des virgules comme séparateur de champ:
date (jj/mm/aa)
heure (hh:mm:ss)
Vout sensor (v)
Mode d'emploi
Mode d'emploi de la version V1 obsolète
Consultez le pour la version V2
Matériel
Adafruit TPL5110 timer
capteur analogique à pression MPX5010DP ou autre modèle
BME280 (option mais n'est pas obligatoire)
Batteries (entre 3.3 et 5.5 volts)
Résistances pour le TPL 5110 : 68,4 kOhms (56 + 10 + 2x1,2) pour 14 min 41 (ou 42) secondes de délai
Trépied ou système pour maintenir le baril en place (une caisse de hauteur ~30cm par ex.).
L’arrosoir beerkan. Coudé si utilisation d’un trépied, droit s’il est posé.
Le boitier électronique « Beerkan Auto »
La présence de la microSD est nécessaire
Bien penser à le charger (≥12.2V dans l’idéal).
Le protocole BFT beerkan pour la méthode.
Fig. 1: ensemble du matériel
Fig. 2: Couvercle de "Mariotte"
Fig 3: bidon & vanne
Fig 4: cylindre PVC
Procédure :
Mise en place
1. Nettoyer la surface où est réalisée la mesure : enlever les résidus de culture, couper aux cisailles à herbes la végétation.
2. Positionner le cylindre (éviter les cailloux), et l’enfoncer jusqu’au trait (ou environ 2-3cm) à l’aide du marteau et du tasseau. Le tasseau permet de repartir la frappe sur le cylindre.
3. Visser l’arrosoir sur la vanne puis mettre en place l’ensemble bidon-vanne-arrosoir rempli au maximum et le couvercle vissé hermétiquement au-dessus du cylindre au moyen du trépied ou du système de soutient. L’arrosoir doit être centré sur le cylindre, une dizaine de cm au-dessus de celui-ci, afin de ne pas occulter la surface du sol et pouvoir contrôler visuellement le bon déroulement de la mesure.
4. Piquer la sonde dans le cylindre, au plus proche du sol sans être enterrée (2-3mm). Éviter les zones directement en dessous des écoulements de l’arrosoir, les points les plus hauts ainsi que les points les plus bas de la surface. Choisir un point ou le sol est suffisamment compact pour que la tige sur laquelle le tuyau est maintenu ne bouge pas pendant la mesure.
5. Connecter le boitier à la vanne.
Fig. 5 le cylindre en place
Fig. 6: pose de la sonde
Fig. 7 dispositif complet en place
Lancement de la mesure :
1. Vérifier que la carte microSD soit bien présente.
2. Allumer le boitier : bouton ON/OFF en façade.
3. Vérifier la date et l’heure au lancement. Celle-ci n’est pas paramétrable sur le terrain. Se reporter au tutoriel de réalisation pour la mise à jour.
4. Vérifier le niveau des batteries (idéalement autour de 12V)
5. Appuyer une première fois sur l’encodeur rotatif en bas à droite pour quitter l’écran d’accueil.
6. Choisir le numéro de parcelle (entre 0 et 255) en tournant l’encodeur, puis valider le choix en appuyant dessus.
7. Choisir la lettre de réplicat (A à E) suivant la même procédure.
8. Vérifier le nom de fichier créé : format BRK_#parcelle_$replicat.csv
9. Appuyer pour lancer la mesure
Fig. 8: la façade du boitier
Pendant la mesure :
L’instrument est automatique, aucune tâche utilisateur n’est requise. Il est cependant conseillé de vérifier pendant la mesure ou à minima à la fin, que tout semble être en ordre : sonde en place, pas de fuites, niveau d’eau dans le bidon…
Un appui long sur l’encodeur pendant la mesure y mettra fin. Un appui court éteint le LCD
Après chaque volume versé l’écran indique (fig. 9):
Le volume en cours d’infiltration (jusqu’à 10 ; ici 5)
Le temps entre deux volumes (Dt en secondes ; ici 57)
Le temps total de mesure (30min max ; ici 2min4s)
A la fin de la mesure : 30min ou 10 volumes atteints (fig. 10)
La LED s’allume et l’instrument bip toutes les 20 secondes et l’écran affiche
Le temps total de la mesure (ici 3min3s)
Fig. 9: écran en cours de mesure
Fig. 10: écran en fin de mesure
Enregistrement de la mesure
L’instrument met en mémoire sur la carte microSD trois fichiers
K_ardui.csv (fig. 11) : Un fichier unique qui sauvegarde sur une ligne horodatée (col. 1 & 2) et labellisée (col 3 : parcelle ; col 4 : réplicat) le résultat K en mm/h calculé par l’arduino (col 7). Sont également gardé en mémoire le temps total de mesure en secondes (col 5) et le nombre de volumes de 310ml déversés (col. 6).
K_BFT.csv (fig. 11): Un fichier unique, horodaté pour chaque mesure (header jaune), qui conserve le cumul de hauteur d’eau (col. 5) et de temps cumulé (col. 4) pour chaque volume versé (col. 3). Il est équivalent aux notes que prendrait un utilisateur effectuant la méthode beerkan à la main.
BRK_#_$.csv (ex : BRK_1_A.csv – fig.12). Pour chaque mesure sont sauvegardé la hauteur d’eau (col 5) et le temps d’infiltration (col. 4) dans un fichier CSV différent. L’état de la vanne (col. 6 ; 0 : fermée ; 1 : ouverte) et le volume auquel correspond le couple temps/hauteur d’eau (col. 3) sont également enregistré. Le header jaune horodate et labélise le fichier.
les headers bleus ont été rajoutés dans ce tutoriel pour aider à la compréhension. Ils ne sont pas présents dans les fichiers. Les headers jaunes oui. Les fichiers csv ne sont par contre pas colorés.
Fig. 11 : K_ARDUIN.csv
Fig. 12 BRK_1_A.csv
Fig. 13: K_BFT.csv
Pour recharger l’instrument il suffit de le connecter à une alimentation 12V DC. Il est possible d’éteindre l’écran d’accueil pendant la charge par un appui prolongé sur l’encodeur.
Un infiltromètre automatique qui simplifie l’exécution de la mesure de l'infiltration selon le protocole Beerkan. Inspiré du modèle Mariotte, il est plus compact et permet un déploiement plus aisé.
Historique des versions
V1 - juillet 2025 Jacques THOMAS (Scop SAGNE) inspiré du modèle Mariotte V4
Le modèle Mariotte présente l'avantage de fournir, lors de chaque déclenchement de la vanne, un volume d'eau assez constant. Bien que la mesure de l'infiltration ne se fasse pas à partir des volumes versés mais à partir des mesures de la sonde à pression qui enregistre les variations réelles de la hauteur de la lame d'eau dans le temps avec une résolution inférieure au mm, le principe du vase Mariotte permet d'appliquer une lame d'eau d’épaisseur constante (entre 10 et 11 mm) dans le cylindre de mesures.
Cependant, ce dispositif souffre de beaucoup inconvénients :
Impressions en PLA à 0.2mm. Une des pièces a un diamètre de 24 cm et nécessite donc une imprimante avec un grand plateau.
Bibliothèques arduino :
adafruit/SD v.0.0.0
mathertel/OneButton v.2.0.3
mathertel/RotaryEncoder v.1.5.3
adafruit/RTClib v.2.0.3
marcoschwartz/LiquidCrystal_I2C v.1.1.4
arduinogetstarted/ezOutput v.1.2.0
akkoyun/Statistical v.2.4.1
Montage
Démarche pas à pas avec un PCB Fig. 4, sinon réaliser le câblage selon la Fig. 3.
Sur la partie supérieure du boitier, câbler indépendamment avec des fils d’une dizaine de cm de longueurs (20 cm c'est plus confortable), de couleurs différentes les composants suivants
Ecran LCD (face à l'écran en mode lecture, le module SDA/SCL est localisé en haut à gauche)
Pololu microSD
Encodeur rotatif
Code couleur conseillé : VCC rouge, GND noir, SDA bleu, SCL jaune, puis des couleurs distinctes pour l’encodeur et la micro SD en fonction des fils disponibles.
Positionner ensuite les éléments de la façade coté intérieur (LCD, LED, Encodeur, micro SD Pololu, voltmètre) puis les fixer au moyen de vis M2x5 et/ou de colle à chaud.
Penser à tourner au maximum la vis de réglage du contraste sur le LCD (cube bleu).
Souder ensuite sur le PCB, aux positions inscrites, les composants suivants :
Le module RTC
Les transistors
Les condensateurs
Les résistances
Puis souder les fils des composants de la façade en suivant également les inscriptions du PCB (fig. 9). Le voltmètre est à connecter à un des pin 12V et au GND. Il faudra également plier délicatement le module RTC jusqu’à un angle de 45° afin qu’il rentre correctement dans le boitier par la suite. (fig. 10)
Il faut mettre le module sous tension (12.0-12.6V) quelques secondes pour l’activer
Téléverser le code dans l’Arduino.
Note : pour mettre à jour le module RTC il modifier la valeur de la variable init_RTC (ligne 34) de 0 à 1 puis téléverser le code. Ensuite la remettre a 0 puis téléverser une nouvelle fois.
Souder les « pins » de l’Arduino et le clipper sur les « sockets » du PCB.
Mettre sous tension et vérifier que tout fonctionne.
Passer le tube PVC par l’orifice du boitier, et ajouter un point de colle sur le capteur pour le solidariser à une paroi.
Liaison pompe-pommeau d'arrosage
La liaison se fait à l'aide d'un tuyau de diamètre 10/13 mm côté pompe et 13/16 mm côté pommeau d'arrosage. Un support fixé sur le seau permet de tenir le tuyau verticalement. Côté pommeau d'arrosage la liaison se fait grâce à un raccord rapide push pneumatique.
Sonde de pression :
L'extrémité du tube de la sonde à pression (diam. 2/4 mm) est insérée dans un tube plus gros ( diam. 4/9 mm) et dans un support en plastique qui porte une tige faite pour être fichée dans le sol. Par son design le support maintient l'extrémité du tube à 2 ou 3 mm du sol. Trois aimants permettent de plaquer le support contre le cylindre. L'emploi d'une petite pièce métallique placée sur le côté extérieur du cylindre est nécessaire car l'acier inoxydable n'est pas aimanté.
Penser à évaser légèrement la base du tube de 5 mm placé dans la pièce qui se plaque contre le cylindre pour limiter la formation d'un ménisque qui fausserait les mesures.
Calibration:
Le temps de fonctionnement de la pompe lors de chaque éclusée doit être calibrer pour verser 10 mm +/- 1 mm entre 12 et 13,5 v. Procédez en faisant écouler 5 éclusées dans une éprouvette graduée de 2 l, réalisez entre 6 et 10 mesures, calculez la moyenne et ajuster le temps en ms dans le code arduino (entre 2600 et 3200 ms). Ça se joue donc à 0,6 seconde près.
Un infiltromètre automatique qui simplifie l’exécution de la mesure de l'infiltration selon le protocole Beerkan
Historique des versions
V1 - Version originale conçue par Nicolas Deschamps (IRD) et Jacques Thomas (Scop SAGNE) en décembre 2023 dans le cadre du plan de relance.
V2- octobre 2024 Jacques Thomas (Scop SAGNE) Modification du pommeau d'arrosoir et du support de la vanne. Solution pour le transport du matériel et liaison souple entre réservoir et vanne. Optimisation du boitier électronique. Corrections du tutoriel de montage.
V3 - mai 2025 Jacques Thomas (Scop SAGNE) Abandon de la batterie interne, remplacement par une power bank 12 v externe car la vanne est exigeante en courant.
V4 - juillet 2025 Jacques THOMAS (Scop SAGNE) Changement de modèle d'électrovanne, liaison par connecteur pneumatique et tuyau 16 mm.
ce tutoriel présente la réalisation de la version V1
Impressions en PLA à 0.2mm. Une des pièces a un diamètre de 24 cm et nécessite donc une imprimante avec un grand plateau.
Bibliothèques arduino :
adafruit/SD v.0.0.0
mathertel/OneButton v.2.0.3
mathertel/RotaryEncoder v.1.5.3
adafruit/RTClib v.2.0.3
marcoschwartz/LiquidCrystal_I2C v.1.1.4
arduinogetstarted/ezOutput v.1.2.0
akkoyun/Statistical v.2.4.1
Montage
Démarche pas à pas avec un PCB (sinon réaliser le câblage selon la fig. 3).
Sur la partie supérieure du boitier, câbler indépendamment avec des fils d’une dizaine de cm de longueurs (20 cm c'est plus confortable), de couleurs différentes les composants suivants
Ecran LCD
Pololu microSD
Encodeur rotatif
La broche
Code couleur conseillé : VCC rouge, GND noir, SDA bleu, SCL jaune, puis des couleurs distinctes pour l’encodeur et la micro SD en fonction des fils disponibles.
Positionner ensuite les éléments de la façade coté intérieur (LCD, LED, Encodeur, micro SD Pololu, voltmètre) puis les fixer au moyen de vis M2x5 et/ou de colle à chaud (fig. 5).
Penser à tourner au maximum la vis de réglage du contraste sur le LCD (cube bleu).
Souder ensuite sur le PCB, aux positions inscrites, les composants suivants :
Le module RTC
Les transistors
Les condensateurs
Les résistances
Puis souder les fils des composants de la façade en suivant également les inscriptions du PCB (fig. 8). Le voltmètre est à connecter à un des pin 12V et au GND. Il faudra également plier délicatement le module RTC jusqu’à un angle de 45° afin qu’il rentre correctement dans le boitier par la suite. (fig. 9)
Pour la partie inférieure du boitier:
Préparer la batterie 12.6V en collant trois accumulateurs Li-Ion 18650 (fig. 10) entre eux et en réalisant le circuit 3S (fig. 11).
Il faut mettre le module sous tension (12.0-12.6V) quelques secondes pour l’activer
Insérer l’interrupteur et la broche. Penser à mettre le joint-capuchon (fig. 14).
Souder par-dessous le PCB la batterie, l’interrupteur, la broche et le buzzer toujours en suivant les indications inscrites dessus (fig. 12).
Téléverser le code dans l’Arduino.
Note : pour mettre à jour le module RTC il modifier la valeur de la variable init_RTC (ligne 34) de 0 à 1 puis téléverser le code. Ensuite la remettre a 0 puis téléverser une nouvelle fois.
Souder les « pins » de l’Arduino et le clipper sur les « sockets » du PCB.
Mettre sous tension et vérifier que tout fonctionne.
Passer le tube PVC par l’orifice du boitier, et ajouter un point de colle sur le capteur pour le solidariser à une paroi.
Réalisation du couvercle « Mariotte »
principe du
Percer proprement le couvercle du bidon en son centre avec une mèche de 16mm
Insérer le passe paroi imprimé dans le trou, en ajoutant les joints plats 16/24mm (fig. 16&17)
Serrer, avec modération, avec deux clefs plates (28mm) ou des clés à molettes.
Raccord bidon-vanne-arrosoir
Ces raccords sont simplement vissés. Ajouter les joints DN20 et du ruban téflon sur le pas de vis du raccord bidon-vanne. Il est conseillé de garder ces deux éléments solidaires et de dévisser la tête d’arrosoir pour le transport si nécessaire. Il est également possible de l’orienter vers le haut pour pouvoir poser le bidon sans induire de contraintes sur les raccords.
Rallonger le câble de la vanne (40-50cm) et souder la partie femelle de la broche.
Sonde de pression :
Il est utile d’élargir légèrement l’ouverture du tuyau 2mm pour limiter les phénomènes de capillarité (fig. 21). Emmancher un second tuyau de 5cm de long, 4mm intérieur, sur 2 à 3 cm. Chauffer si nécessaire pour faciliter l’opération. Il est également possible de rajouter un joint silicone pour parfaire l’étanchéité. Solidariser ensuite l’ensemble a une tige métallique au moyen de scotch électrique (fig. 22).
Pour le modèle V2, penser à évaser légèrement la base du tube de 5 mm placé dans la pièce qui se plaque contre le cylindre pour limiter la formation d'un ménisque.
Trépied en bambou :
Une solution de support possible, et efficace, du bidon.
Matériel
Trois bambous de 1m ; 3-5cm de diamètre
De la ficelle
Deux crochets imprimés (STL fournis)
Une vis
Réaliser un nœud de trépied en suivant ce . Ajouter une vis sur le bambou central pour éviter au nœud de glisser (fig.21).
Percer les deux bambous des cotés à 25cm du haut. Y passer les cordelettes, faire un nœud d’arrêt sur l’extérieur et attacher le crochet a 5cm coté intérieur (fig. 22).
Simulateur de pluie Cornell
Simulateur de pluie portable
Dimensions du modèle des essais OGDEN 1997
Cuve : diamètre 0,15 m, hauteur 0,4 m, épaisseur plexiglass 3 mm
Couvercle et fond en plexiglass 8 mm.
Tube bulleur : diam. ext 16 mm, diam. int. 13 mm
1 Led
1 Buzzer KY-012 Active Piezo Buzzer Alarm Sensor 85 dB
1 vanne G3/4" DC12V électrovanne laiton "NC" entraînement direct DN20
La conductivité hydraulique K[mm/h] calculé entre le 3em et le dernier volume versé (ici K = 7729 mm/h)
encombrement du matériel obligeant de fournir un fût de 30 L pour faciliter son déplacement,
positionnement du réservoir Mariotte en hauteur (sur le fût ou sur un trépied dans la version V1)
volume d'eau important pour chaque mesure (10 L dans le vase Mariotte alors que moins de 4 L sont réellement versés dans le cylindre)
modèle d'électrovanne nécessitant généralement une pression supérieure à celle du réservoir Mariotte pour se déclencher générant des soucis d'approvisionnement.
En utilisant une pompe immergée 12V offrant un débit de 10L/min et à condition de fournir une alimentation électrique de qualité (power bank), nous résolvons plusieurs de ces inconvénients:
ensemble compact tenant dans un seau de 10 L pour le rangement et le transport
positionnement du réservoir (seau) sur le sol
utilisation d'un volume réduit d'eau (< 4 L), ce qui avec seulement 2 réservoirs de 10 L d'eau permet d'assurer au moins 4 mesures d’infiltration sur le terrain sans devoir refaire le plein.
En maintenant une tension d'alimentation à 12,5 V on verse à chaque éclusée une lame de 10.5 ± 0.14 mm en 2700 ms.
Cf. ci dessous les mesures réalisées entre 12 et 13,5 V de 2600 à 2800 ms. cf. Fig 1.
Avec une tension qui varierait avec l’épuisement de la power bank sollicitée pendant toute une journée (de 13.3 à 12.5 v) la lame d'eau versée à chaque distribution varierait progressivement entre 11,2 et 10.2 mm. L'écart est donc très faible et largement aussi performant que les électrovannes testées avec le modèle Mariotte, cf. Fig 2.
La connexion au pommeau d'arrosoir est aussi optimisée en utilisant un raccord pneumatique rapide push et un tuyau souple.
A condition de respecter 2 consignes importantes, ce dispositif présente un avantage certain sur le modèle Mariotte:
maintenir l'extrémité du tuyau raccordé à la pompe (au niveau du raccord sur le pommeau d'arrosoir) au dessus du niveau initial d'eau du seau. Sinon, une fois la pompe amorcée elle provoque un écoulement continu par effet siphon ! C'est pourquoi il faut limiter le volume d'eau placé dans le réservoir au strict minimum (la conception des raccords et des tubulures évite l'effet siphon à condition de ne pas remplir le seau de 10 L).
appliquer une tension électrique > à 12 V, (idéal ≥ 12,5 v) ce qui est très facile en employant la power bank proposée par Eïwa shop.
1 Led couleur anode
1 Buzzer KY-012 Active Piezo Buzzer Alarm Sensor 85 dB
La broche . Attention de la placer dans le boitier avant de souder les fils, doivent être soudés sur le face supérieur du PCB pour pouvoir passer les câbles.
Le capteur piézométrique. Connecter également le tuyau PVC 2mm de 50cm et le sertir avec un collier.
L’interrupteur (à shunter par pont de soudure sur la PCB version compact V1)
La LED
Le voltmètre digital (face à l'écran en mode lecture les fils sont localisés à droite.
Les « sockets » pour accueillir l’Arduino nano
L’embase d’alimentation
Fixer le PCB par deux vis M2x5 .
Insérer les écrous M3 à leur emplacement.
Fermer le boitier et visser les boulons M3x10 sur les côtés.
Fig 8: MPXV5004DP Pinouts: 4 Vout, 3 Gnd, 2 Vs (pression sortie haute côté 5 à 8)
Fig. 9: soudures du PCB
Fig. 10: plier le module RTC
Fig. 11: boitier terminé
Trou de remplissage de 50 mm de diamètre.
19 tubes capillaires, trous de 2,4 mm placés tous les 30 mm sur les diagonales, (1 capillaire/ 8,6 cm2) capillaires Tygon microbore tubing de 0,35 m, 0,76 mm diam. int. et 2,3 mm diam. ext.
Joints en mastic.
Calcul du débit à la sortie de chaque capillaire (loi de Poisseuille).
Q (m3 s-1)
ΔP différence de pression aux extrémités des capillaires
ΔP = Hρg H distance entre la base du tube bulleur et l’extrémité supérieure des capillaires (m), ρ densité de l’eau (g m-3), g accélération de la pesanteur (ms-2)
r rayon du capillaire (m)
η viscosité de l’eau (gm-1s-1)
L longueur d’un capillaire
Essais OGDEN
· les débits mesurés avec les prototypes d’infiltromètres en faisant varier la charge H sont conformes aux débits théoriques calculés.
· à charge constante les débits varient selon la température (mais pas aussi vite que le prédisent les calculs théoriques) ; faibles différences entre 10 et 25 °, faire cependant attention aux effets de surchauffe sur les surfaces de plexiglass.
· faire attention à l’état des capillaires qui peuvent se boucher par le développement de micro organismes.
Modèle Cornell
24,1 cm de diam. d’après les photos 12 lignes de capillaires et 12 capillaires sur le diamètre de 24 cm , soit un espacement de 2 cm entre capillaire (106 capillaires soit 1 cap./4 cm2) avec Tygon ND 100-80.
Modèle SCOP SAGNE 240
Cuve : diamètre int. 240 mm, ext 250 mm, hauteur 500 mm , volume total 22,6 L, plexiglass de 5 mm d’épaisseur
Couvercle et fond plexiglass de 15 mm d’épaisseur (350 x 350 mm), surface du fond mouillé 452 cm2
Tube bulleur 12 mm/16 mm , longueur 600 mm
Bouchon trou de remplissage caoutchouc 60/70
Bouchon trou tube bulleur caoutchouc 31/38
Capillaires Tygon (0,76/ 2,3 mm) 35 cm de longueur, 45 unités (15,75m, 51,7 ft) 1 capillaire/10 cm2 , espace de 3 cm entre les capillaires
Anneau métallique : diam. ext 244,5 mm int. 236,5 mm, hauteur 200 mm (75 + 125)
Calibrage de la hauteur du bulleur
H bulleur (cm)
5
10
15
20
30
Q (mm/h)
55
89
127
168
215
Modèle SCOP SAGNE 220
Cuve : diamètre int. 220 mm, ext 230 mm, hauteur 400 mm , volume total 15,2 L, plexiglass de 5 mm d’épaisseur
Couvercle et fond plexiglass de 12 mm d’épaisseur (330 x 330 mm), surface du fond mouillé 380 cm2
Tube bulleur 8 mm/12 mm , longueur 500 mm
Bouchon trou de remplissage caoutchouc 60/70
Bouchon trou tube bulleur caoutchouc 31/38
Capillaires: Tygon (0,76/ 2,3 mm) 35 cm de longueur, 89 unités (31,5 m, 103,35 ft) 1 capillaire/ 4,26 cm2 , espace de 2 cm entre capillaires
Anneau métallique : diam. ext 220 mm int. 214 mm, hauteur 200 mm (75 + 125)
Références:
Essais d'infiltration - Etangs des Camporells Pyrénées Orientales
1. Nettoyer la surface où est réalisée la mesure : enlever les résidus de culture, couper aux cisailles à herbes la végétation.
2. Positionner le cylindre (éviter les cailloux), et l’enfoncer jusqu’au trait (ou environ 2-3cm) à l’aide du marteau et du tasseau. Le tasseau permet de repartir la frappe sur le cylindre.
3. Visser l’arrosoir sur la vanne puis mettre en place l’ensemble bidon-vanne-arrosoir rempli au maximum et le couvercle vissé hermétiquement au-dessus du cylindre au moyen du trépied ou du système de soutient. L’arrosoir doit être centré sur le cylindre, une dizaine de cm au-dessus de celui-ci, afin de ne pas occulter la surface du sol et pouvoir contrôler visuellement le bon déroulement de la mesure.
4. Piquer la sonde dans le cylindre, au plus proche du sol sans être enterrée (2-3mm). Éviter les zones directement en dessous des écoulements de l’arrosoir, les points les plus hauts ainsi que les points les plus bas de la surface. Choisir un point ou le sol est suffisamment compact pour que la tige sur laquelle le tuyau est maintenu ne bouge pas pendant la mesure.
5. Connecter le boitier à la vanne.
Lancement de la mesure :
1. Vérifier que la carte microSD soit bien présente.
2. Allumer le boitier : bouton ON/OFF en façade.
3. Vérifier la date et l’heure au lancement. Celle-ci n’est pas paramétrable sur le terrain. Se reporter au tutoriel de réalisation pour la mise à jour.
4. Vérifier le niveau des batteries (idéalement autour de 12V)
5. Appuyer une première fois sur l’encodeur rotatif en bas à droite pour quitter l’écran d’accueil.
6. Choisir le numéro de parcelle (entre 0 et 255) en tournant l’encodeur, puis valider le choix en appuyant dessus.
7. Choisir la lettre de réplicat (A à E) suivant la même procédure.
8. Vérifier le nom de fichier créé : format BRK_#parcelle_$replicat.csv
9. Appuyer pour lancer la mesure
Fig. 8: la façade du boitier
Pendant la mesure :
L’instrument est automatique, aucune tâche utilisateur n’est requise. Il est cependant conseillé de vérifier pendant la mesure ou à minima à la fin, que tout semble être en ordre : sonde en place, pas de fuites, niveau d’eau dans le bidon…
Un appui long sur l’encodeur pendant la mesure y mettra fin. Un appui court éteint le LCD
Après chaque volume versé l’écran indique (fig. 9):
Le volume en cours d’infiltration (jusqu’à 10 ; ici 5)
Le temps entre deux volumes (Dt en secondes ; ici 57)
Le temps total de mesure (30min max ; ici 2min4s)
A la fin de la mesure : 30min ou 10 volumes atteints (fig. 10)
La LED s’allume et l’instrument bip toutes les 20 secondes et l’écran affiche
Le temps total de la mesure (ici 3min3s)
Fig. 9: écran en cours de mesure
Fig. 10: écran en fin de mesure
Enregistrement de la mesure
L’instrument met en mémoire sur la carte microSD trois fichiers
K_ardui.csv (fig. 11) : Un fichier unique qui sauvegarde sur une ligne horodatée (col. 1 & 2) et labellisée (col 3 : parcelle ; col 4 : réplicat) le résultat K en mm/h calculé par l’arduino (col 7). Sont également gardé en mémoire le temps total de mesure en secondes (col 5) et le nombre de volumes de 310ml déversés (col. 6).
K_BFT.csv (fig. 11): Un fichier unique, horodaté pour chaque mesure (header jaune), qui conserve le cumul de hauteur d’eau (col. 5) et de temps cumulé (col. 4) pour chaque volume versé (col. 3). Il est équivalent aux notes que prendrait un utilisateur effectuant la méthode beerkan à la main.
BRK_#_$.csv (ex : BRK_1_A.csv – fig.12). Pour chaque mesure sont sauvegardé la hauteur d’eau (col 5) et le temps d’infiltration (col. 4) dans un fichier CSV différent. L’état de la vanne (col. 6 ; 0 : fermée ; 1 : ouverte) et le volume auquel correspond le couple temps/hauteur d’eau (col. 3) sont également enregistré. Le header jaune horodate et labélise le fichier.
les headers bleus ont été rajoutés dans ce tutoriel pour aider à la compréhension. Ils ne sont pas présents dans les fichiers. Les headers jaunes oui. Les fichiers csv ne sont par contre pas colorés.
Fig. 11 : K_ARDUIN.csv
Fig. 12 BRK_1_A.csv
Fig. 13: K_BFT.csv
Pour recharger l’instrument il suffit de le connecter à une alimentation 12V DC. Il est possible d’éteindre l’écran d’accueil pendant la charge par un appui prolongé sur l’encodeur.
Le nombre de volumes déversés (ici 10)
La conductivité hydraulique K[mm/h] calculé entre le 3em et le dernier volume versé (ici K = 7729 mm/h)
Infiltromètre Beerkan Di Prima
Infiltromètre Beerkan à enregistrement automatique conçu par Simone Di Prima
Adaptation par Pecnot'Lab à partir d'éléments imprimés avec une imprimante 3D.
