Sujet de stage

Au sein du Centre de Recherche et d’Enseignement de Géosciences de l’Environnement (CEREGE), plus particulièrement dans l’équipe ressources réservoir et hydrosystème et dans le pôle modélisation, le projet modelPi-Connect propose à un étudiant de développer, lors de son stage de fin d'étude d'école d'ingénieur ou de Master 2, une centrale d'acquisition de données environnementales qui soit non-seulement énergétiquement autonome dans des conditions difficiles (forage, rivière, forêt, karst,...) mais également, qui permette d’analyser et de transmettre en 3G de nombreux paramètres environnementaux au laboratoire.

Le CEREGE, est une Unité Mixte de Recherche (UMR 34) dont les tutelles sont l’Université Aix-Marseille (AMU), le CNRS (UMR 7330), l’IRD (UMR 161), le Collège de France et l'INRA  (UMR 1410). Ses locaux sont situés sur la technopôle de l'environnement Arbois-Méditerranée, située sur le petit Plateau de l’Arbois (Aix-en-Provence, Les Milles) et sur le campus de l'Université Aix-Marseille-Saint-Charles à Marseille. Le CEREGE développe des recherches dans les disciplines des sciences de la Terre et de l’environnement. Ces recherches concernent la paléoclimatologie et la paléocéanographie, la géodynamique et les fluides associés, la dynamique des sols, l’eau et les déchets, la morphogénèse et les risques naturels, la planétologie et la géophysique de surface, l’évolution des sols tropicaux, et les ressources en eau en zone méditerranéenne.

Le modelPi-Connect est un projet d'ingénierie qui permettra au CEREGE de se doter d’un outil d'étude et de recherche permettant de suivre, d’explorer et d’expliquer les phénomènes naturels. Le suivi in-situ dans l’étude des géosciences de l’environnement est en effet indispensable et contribue à la tâche d’observations des organismes de recherche. Pourtant il reste difficile de trouver un matériel modulable, low cost et adapté aux rudes conditions de terrain. Le matériel modelPi-Connect sera expérimenté pour des applications en hydrogéologie avec un capteur de pression par exemple pour le suivi de nappes d’eau souterraine dans des forages, ou pour suivre le déplacement de crues dans des cavités karstiques.

Nous utiliserons le nano‑ordinateur, Raspberry-Pi, comme le centre nerveux du modelPi-Connect. En effet, pas plus grand qu'une carte de crédit, le raspberry permet de mettre en place des systèmes autonomes, grâce à une faible consommation électrique (700 mA , 5v), low cost, environ 40€ pour la dernière version et puissant (CPU: ARM Cortex-A53 quatre coeurs 1,2 GHz, Mémoire: 1 GB LPDDR2) ce qui permet la mise en place de multiples traitements tels que la reconnaissance de formes, l’analyse spectrale ou les analyses statistiques. De plus, de nombreux capteurs électroniques à bas coûts, standardisés pour le raspberry ou non, sont disponibles et sont capables de mesurer des paramètres environnementaux tels que la pression, le gaz, les coordonnées GPS, le signal audio, vidéo ou photo, la luminosité, l’humidité ou la température. Il lui est également possible de communiquer avec des capteurs de précision déjà en possession du CEREGE via ses ports USB, wifi ou bluetooth ou des ports additionnels : RS 232(série), TTL.

        L'information ainsi acquise devra être conservée in-situ sur un dispositif de stockage connecté au raspberry, et ensuite, si le volume des données ou si la couverture 3G le permet, transmise au laboratoire. Néanmoins, si cette donnée s’avère trop volumineuse, le raspberry sera en capacité de la traiter afin de transmettre uniquement l'information d'intérêt. On peut encore imaginer un système de relais entre le modelPi-Connect et un lieu couvert par la 3G. Enfin, le raspberry est aussi un système de contrôle qui peut donner une réponse adaptée telle qu’une alerte mail, en fonction des conditions environnementales exceptionnelles ou d’une charge de batterie trop faible. Ceci en fait un donneur d'alerte extrêmement efficace. L'intérêt de ce nano ordinateur repose principalement sur sa polyvalence, sa rapidité d’acquisition, ses possibilités d’interfaçage avec d’autres matériels ou cartes d’extensions ainsi que sa capacité à être indépendant du réseau électrique et de l’Internet filaire.

Travail demandé : 

  1. Définition précise de la problématique et mise en place du cahier des charges avec les encadrants.
  2. Définition matérielle du système :

Capteurs : le stagiaire se concentrera dans un premier temps sur des capteurs de pression-température (eau), de CO2 en gaz ou GPS mais veillera également à permettre l’ajout rapide d’autres capteurs électroniques. Le raspberry devra aussi être capable de communiquer avec des capteurs de hautes précisions.

Nano ordinateur : le stagiaire prendra en main le raspberry pi avec son système d'exploitation raspbian basé sur linux. Il rendra possible, entre autre, la communication directe entre un PC et le raspberry (IP statique)

Connexion 3G : le stagiaire étudiera la meilleure solution 3G pour le raspberry (clé ou module GPIO). Le stagiaire pourra aussi s'intéresser au réseau de communication LoRaWAN.

Boîte de protection : le stagiaire devra choisir une boîte qui contiendra le système. Elle devra faire face aux intempéries du terrain : humidité, chaleur, eau…. Ce choix pourra être réalisé avec l'aide du SETEL qui est le service qui s'occupe du matériel de terrain.

Batterie : le stagiaire devra choisir le système de ressources énergétiques mis en place : batterie plomb ou lithium, solaire, module GPIO

L'étudiant sera force de proposition afin de trouver les meilleurs solutions matérielles notamment pour les interfaces d'entrées-sorties (hat, GPIO ou groove). Un logiciel de simulation pourra être utilisé afin de s'assurer de l'homogénéité du système. Suite à cette étude, le matériel proposé sera alors acheté.

  1. Réalisation d'un premier prototype en laboratoire mettant en oeuvre les fonctions suivantes :
  1. Communication entre le Raspberry Pi et les capteurs.
  2. Intégration sur le raspberry de traitements en langage python : Ainsi, les données acquises pourront être traitées sur le terrain permettant de transmettre uniquement l'information d'intérêt.
  3. Stockage et transmission via le réseau 3G des données, par mail, base de données ou sur un serveur FTP, au laboratoire. Cette tâche sera réalisée de manière régulière. Des scripts (crontab et de python) seront alors utilisés. Des alertes en temps réel pourront être envoyées lorsque les conditions l'exigent. Les premiers tests pourront être réalisés en filaire afin d'éviter d'utiliser la 3G. La prise de contrôle du raspberry est une fonction qui pourra être à l'étude.
  4. Autonomisation énergétique du système: fonctionnement sur batteries.
  1. Tests et validation du modelPi-Connect sur le terrain dans sa boîte de protection
  2. Rédaction de la documentation technique

Travail secondaire.

  1. Interfaçage entre le Raspberry Pi et un smartphone en Wifi en vue d'utiliser les capteurs de ce dernier. Une application sur smartpĥone sera ainsi chargée de récupérer les paramètres mesurés et de le transmettre au raspberry.
  2. Développer une petite interface web fournissant les informations (graphe, tableur,...)
  3. De plus d'autres projets (robotique) sont actuellement à l’étude au CEREGE et le stagiaire pourra, si il en a le temps, contribuer à leurs développements.

Ce système a également pour objectif d'explorer des pistes innovantes pour la sensibilisation des jeunes à l'éducation au développement durable et l'enseignement des sciences et des technologies (par exemple le Dispositif académique Eaux Souterraines). Le stagiaire pourra, s'il le souhaite et si le temps le permet, intervenir auprès des scolaires afin de mettre à la portée des enfants son travail.

Compétences essentielles :

Compétence secondaire :

Contacts :

 Ghislain GASSIER

Ingénieur de recherche en modélisation

e-mail : gassier@cerege.fr

Bruno ARFIB

Maître de conférence

e-mail : arfib@cerege.fr