FR3112615A1

FR3112615A1 - Système d’analyse électro-physiologique de plante

Info

Publication number: FR3112615A1
Application number: FR2007387A
Authority: FR
Inventors: Patrice COCHETEUX; Fabian LE BOURDIEC
Original assignee: Vegetal Signals SAS
Current assignee: Vegetal Signals SAS
Priority date: 2020-07-15
Filing date: 2020-07-15
Publication date: 2022-01-21

Abstract

Système (1) d’analyse électro-physiologique de plante, comportant au moins un premier dispositif d’acquisition (2) agencé pour capter des signaux électriques (P1) émis par une ou plusieurs plantes (P) et pour convertir lesdits signaux électriques en des signaux numériques (S21), caractérisé en ce qu’il comporte un panneau photovoltaïque (8) agencé pour alimenter ledit premier dispositif d’acquisition. Figure à publier avec l’abrégé : Fig. 1

Description

Système d’analyse électro-physiologique de plante

L’invention concerne le domaine de l’analyse électro-physiologique des plantes. Plus précisément, l’invention concerne un système d’analyse électro-physiologique de plusieurs plantes.

Il a été observé que les plantes émettent des signaux électriques, notamment sous la forme de potentiels d’action, traduisant son état physiologique. En mesurant ces signaux électriques au moyen d’électrodes et en les analysant, il est ainsi possible de déterminer l’état physiologique d’une plante de façon plus rapide et plus fiable que par des moyens d’observation directe. En outre, en cas de détection d’une situation de stress ou de maladie, il est également possible de proposer, de façon immédiate et automatique, des actions correctives permettant d’y remédier.

Toutefois, les systèmes d’analyse électro-physiologique des plantes existants sont conçus pour une utilisation en laboratoire et ne conviennent pas pour un usage agricole. En effet, les systèmes connus reposent, d’une part, sur un système d’acquisition de signaux électriques permettant de numériser ces signaux en vue de leur traitement et d’autre part sur un module de traitement de ces signaux numérisés implémentant notamment des méthodes d’analyses statistiques. Il est donc nécessaire d’acquérir une pluralité de signaux électriques de façon simultanée, sur de longues durées. Ainsi, pour un usage agricole, il est nécessaire d’installer plusieurs dispositifs d’acquisition dans un champ. Cette multiplicité de systèmes d’acquisition contraint dès lors à employer une multitude de câbles d’alimentation pour alimenter électriquement chacun des dispositifs d’acquisition et de câbles de transmission de données pour permettre la transmission des signaux numérisés vers le module de traitement. Le nombre de câbles ainsi nécessaires nuit à la robustesse du système et à sa simplicité d’installation et d’utilisation.

La présente invention se place dans ce contexte et a ainsi pour but de remédier aux inconvénients cités, en proposant un système d’analyse électro-physiologique de plantes qui soit robuste et simple d’installation et d’utilisation.

A ces fins, l’invention a pour objet un système d’analyse électro-physiologique de plante, comportant au moins un premier dispositif d’acquisition agencé pour capter des signaux électriques émis par une ou plusieurs plantes et pour convertir lesdits signaux électriques en des signaux numériques, caractérisé en ce qu’il comporte un panneau photovoltaïque agencé pour alimenter ledit premier dispositif d’acquisition.

On comprend que, grâce à l’invention, le dispositif d’acquisition peut être alimenté à l’aide du panneau photovoltaïque et ne requiert donc plus de câble d’alimentation. Il est ainsi possible de réduire le nombre de câbles nécessaires à l’exploitation du système, ce qui permet d’accroitre sa robustesse tout en simplifiant son installation et son utilisation.

Avantageusement, le système comporte un régulateur de tension connecté au panneau photovoltaïque. Ce régulateur de tension est notamment agencé pour maintenir la puissance électrique, et notamment la tension électrique, fournie par le panneau photovoltaïque à une valeur constante. Selon un exemple de réalisation, le régulateur de tension peut être un régulateur de tension linéaire. Le cas échéant, le régulateur de tension peut être un régulateur linéaire à faible chute de tension. Un tel régulateur est également appelé régulateur LDO, de l’anglais Low DropOut. Dans un autre exemple de réalisation, le régulateur de tension peut être un régulateur de type DC/DC, par exemple un régulateur de type abaisseur de tension, notamment un régulateur de type Buck.

Dans un mode de réalisation de l’invention, le premier dispositif d’acquisition comporte une batterie électrique rechargeable, le panneau photovoltaïque étant agencé pour charger ladite batterie électrique. Selon une variante, le panneau photovoltaïque est agencé pour alimenter directement le premier dispositif d’acquisition.

Avantageusement, le panneau photovoltaïque est agencé pour simultanément charger la batterie électrique et alimenter ledit premier dispositif d’acquisition. Le cas échéant, le système peut comprendre une unité de contrôle de l’alimentation du premier dispositif d’acquisition, l’unité de contrôle étant agencée pour contrôler sélectivement l’alimentation du premier dispositif d’acquisition par le panneau photovoltaïque et/ou la batterie électrique, par exemple en fonction d’une condition de fonctionnement diurne ou nocturne du système, d’une information d’ensoleillement local et/ou d’une information relative à l’état de charge de la batterie électrique.

Avantageusement, le système peut comporter un contrôleur de charge de ladite batterie électrique agencé pour réguler le courant électrique généré par le panneau photovoltaïque.

Avantageusement, la batterie électrique rechargeable présente une valeur de courant de charge nominale. Dans un premier mode de réalisation de l’invention, le contrôleur de charge est agencé pour contrôler la valeur du courant électrique généré par le panneau photovoltaïque pour que cette valeur corresponde sensiblement ladite valeur de courant de charge nominale. Par exemple, le contrôleur de charge peut être un hacheur. Dans ce mode, on cherche ainsi à recharger la batterie électrique le plus rapidement possible. Dans un deuxième mode de réalisation de l’invention, le contrôleur de charge est agencé pour contrôler la valeur du courant électrique généré par le panneau photovoltaïque à une valeur sensiblement inférieure à ladite valeur de courant de charge nominale, par exemple inférieure à 10%, notamment inférieure à 5%, par exemple égale à 2,2%, de ladite valeur de courant de charge nominale. Par exemple, le contrôleur de charge peut être une diode de limitation de courant. Dans ce mode, au-delà de la réduction du coût du système, on autorise une recharge lente de la batterie électrique, ce qui permet de réduire le bruit de cette recharge sur la mesure des signaux électriques émis par la ou les plantes par le premier dispositif d’acquisition.

Dans un exemple de réalisation de l’invention, le premier dispositif d’acquisition comprend au moins une première électrode destinée à être connectée à une plante pour capter un premier potentiel électrique analogique, le premier dispositif d’acquisition étant agencé pour générer un signal numérique à partir dudit premier potentiel électrique analogique.

Si on le souhaite, la ou chaque première entrée reliée à la ou l’une des premières électrodes est associée à un filtre agencé pour filtrer le premier potentiel électrique analogique capté par cette première électrode. Le ou chacun des filtres pourra comporter un filtre de lissage analogique et/ou un filtre de protection contre les décharges électrostatiques.

Selon cet exemple, le premier dispositif d’acquisition peut comporter un convertisseur analogique numérique pourvu d’une première entrée reliée à la première électrode pour recevoir le premier potentiel électrique analogique, le convertisseur analogique numérique étant agencé pour mesurer la différence de potentiel entre le premier potentiel électrique analogique reçu et un potentiel électrique de référence et pour convertir cette différence de potentiel mesurée en un signal numérique. Le cas échéant, ledit potentiel électrique de référence peut être obtenu au moyen de la batterie électrique.

De préférence, le premier dispositif d’acquisition comporte une deuxième électrode destinée à être connectée à ladite plante, le convertisseur analogique numérique étant pourvu d’une deuxième entrée reliée à ladite deuxième électrode, la deuxième entrée étant reliée au potentiel électrique de référence. Par exemple, la deuxième entrée peut être reliée à la masse de la batterie électrique. Selon un exemple, la paire de première et de deuxième électrodes peut être connectée à la plante de sorte à mesurer un champ électrique linéaire généré par la superposition des dépolarisations transitoires des membranes des cellules foliaires et/ou par les échanges ioniques au niveau du système racinaire. Par exemple, chacune des première et deuxième électrodes peut être connectée à la tige de la plante pour être en contact avec le phloème ou en variante, l’une des électrodes peut être connectée à la tige de la plante et l’autre des électrodes peut être connectée à un bulbe souterrain de la plante.

Avantageusement, le convertisseur analogique numérique peut comporter un amplificateur opérationnel, l'amplificateur opérationnel étant agencé pour recevoir le premier potentiel électrique analogique et ledit potentiel électrique de référence, le convertisseur analogique comportant un convertisseur analogique numérique élémentaire delta-sigma relié à la sortie de l'amplificateur opérationnel. On entend par liaison entre la sortie d’un amplificateur opérationnel et un convertisseur analogique numérique élémentaire delta-sigma aussi bien une liaison simple entre un amplificateur à sortie simple et le convertisseur sur lequel transite le signal amplifié par l’amplificateur qu’une liaison double entre un amplificateur à sortie différentielle et le convertisseur où le signal amplifié est obtenu par la différence entre les signaux transitant sur chacune des lignes de la liaison double.

Par exemple, l’amplificateur opérationnel pourra être un amplificateur à gain programmable (également appelé PGA de l’anglais Programmable Gain Amplifier) de type faible bruit. Le cas échéant, l’amplificateur opérationnel pourra être agencé pour présenter un gain d’au maximum 24 et pour introduire un bruit dont le niveau moyen est inférieur à 5 µV et notamment sensiblement de 0,1µV dans le cas d’un amplificateur de gain de 24. Avantageusement, le convertisseur analogique numérique élémentaire delta-sigma est agencé pour présenter un taux d’échantillonnage supérieur à 50 SPS (sample per second) ou de 50Hz, voir supérieur à 250 SPS ou 250 Hz, et pour convertir un signal reçu en entrée en un signal numérique codé sur 24 bits. Le cas échéant, l’ensemble unitaire formé par un amplificateur opérationnel et un convertisseur analogique numérique élémentaire delta-sigma est agencé pour présenter un nombre de bits effectifs (également appelé ENOB, de l’anglais Effective Number Of Bits) d’au moins 16, et notamment d’au moins 19 pour un gain de l’amplificateur de 24 et pour un taux d’échantillonnage de 250 SPS. Cette combinaison est particulièrement adaptée pour l’analyse électro-physiologique des plantes dans la mesure où les différences de potentiel électrique issues des amplificateurs opérationnels sont des signaux analogiques de faible amplitude (de l’ordre du microvolt) qui peuvent amplifiés par l’amplificateur en introduisant peu de bruit et de distorsion, grâce à un faible gain, et qui pourtant être convertis par le convertisseur en des signaux numériques avec une haute résolution (de l’ordre du nanovolt).

Avantageusement, le premier dispositif d’acquisition comporte un boîtier dans lequel sont agencés le convertisseur analogique numérique et, le cas échéant, la batterie électrique et le contrôleur de charge.

Avantageusement, le système d’analyse électro-physiologique comporte un module de traitement numérique du signal numérique converti par le convertisseur analogique numérique du dispositif d’acquisition, par exemple agencé pour mettre en œuvre un ou plusieurs procédés de traitement de ce signal numérique pour déterminer un état physiologique de la plante.

Avantageusement, le module de traitement peut être agencé pour mettre en œuvre un ou plusieurs procédés de traitement du signal numérique généré pour déterminer un état physiologique de la plante. Il a en effet été observé que les différences de potentiels ainsi mesurées et donc les signaux numériques convertis présentent des variations qui sont fonctions de l’état physiologique de la plante, et notamment de son ensoleillement, de son stress hydrique, de son stress thermique, etc. Ces variations sont des variations de certaines composantes fréquentielles de ces signaux numériques convertis, et en particulier des variations de faibles amplitudes de composantes haute fréquence.

Le module de traitement pourra être agencé pour procéder à une analyse spectrale du signal numérique. Par exemple, le module de traitement pourra être agencé pour obtenir un spectre à partir du signal numérique (par exemple au moyen d'une transformée de Fourier ou par une décomposition en ondelettes) et pour déterminer un ou plusieurs indicateurs de puissance spectrale à partir de ce spectre, et notamment un ou plusieurs indicateurs choisis parmi les indicateurs suivants :

un front de fréquence spectrale (également appelé en anglais : Spectral Edge Frequency ou SEF), à savoir une fréquence en dessous de laquelle se trouve concentré 95 % de la puissance spectrale totale ;
une fréquence médiane (également appelé en anglais : Mediane Edge Frequency ou MEF), à savoir une fréquence en dessous de laquelle se trouve concentré 50 % de la puissance spectrale totale ;
un indice de puissance, à savoir la puissance spectrale totale contenue dans une bande de fréquence donnée, en notamment un indice de puissance dans les bandes de fréquence dite bêta (>0.5 Hz), alpha (0.3-0.4Hz), thêta (0.1-0.2 Hz) et delta (0-0.1 Hz) ;
des ratios d'indices de puissance, et notamment un ratio de l'indice de puissance delta et l'indice de puissance thêta ;
une entropie spectrale (également appelée en en anglais Power Spectrum Entropy ou PSE).

Avantageusement, le module de traitement pourra mettre en œuvre des procédés d'analyse des variations de ce ou ces indicateurs, notamment pour reconnaitre un décalage du front de fréquence spectrale et/ou de la fréquence médiane selon un modèle donné ou encore une variation d'un indice de puissance ou d'un ratio d'indices de puissance selon un modèle donné, ou encore une variation de l'entropie spectrale selon un modèle donné. Il pourra par exemple s'agir d'un procédé de classification d'une variation de ce ou ces indicateurs parmi une bibliothèque de modèles de variation prédéterminés, chaque modèle de variation prédéterminé étant associé à un état physiologique donné d'une plante. Un tel procédé de classification pourra par exemple mis en œuvre par un algorithme de reconnaissance de motifs basé un apprentissage automatique de reconnaissance des modèles de ladite bibliothèque de modèles.

La présente invention est maintenant décrite à l’aide d’exemples uniquement illustratifs et nullement limitatifs de la portée de l’invention, et à partir l’illustration jointe :

représente un système d’analyse électro-physiologique de plantes selon un mode de réalisation de l’invention.

On a représenté en , schématiquement et partiellement, un système d’analyse électro-physiologique 1 selon un premier mode de réalisation de l’invention.

Le système 1 comporte un premier dispositif d’acquisition 2 comprenant une pluralité de premières électrodes 21 chacune destinée à être connectée à une plante distincte P pour capter un premier potentiel électrique analogique P1 et une pluralité de deuxièmes électrodes 22 chacune destinée à être connectée à l’une desdites plantes P. Chaque plante P est ainsi connectée à une paire d’électrodes 21 et 22, la première électrode 21 étant par exemple connectée au niveau d’une section supérieure de tige de la plante P pour être en contact avec le phloème et la deuxième électrode 22 étant par exemple connectée au niveau d’une section inférieure de la tige de la plante P également pour être en contact avec le phloème

Le premier dispositif d’acquisition 2 comporte un convertisseur analogique numérique multivoies 3 pourvu d’une pluralité de premières entrées 31, chacune reliée à l’une des premières électrodes 21 pour recevoir le premier potentiel électrique analogique P1 capté par cette électrode. Le convertisseur analogique numérique multivoies 3 est en outre pourvu d’une pluralité de deuxièmes entrées 32, chacune reliée d’une part l’une des deuxièmes électrodes 22 et d’autre part à un même potentiel électrique commun de référence P2. Chacune des entrées 31 et 32 est associé à un filtre (non représenté) agencé pour filtrer le premier ou le deuxième potentiel électrique P1, P2 destiné à être reçu par cette entrée

Le convertisseur analogique numérique multivoies 3 comporte une pluralité d’amplificateurs opérationnels 33 chacun agencé pour recevoir l’un des premiers potentiels électriques analogiques P1 depuis l’une des premières entrées 32 et ledit potentiel électrique commun de référence P2 depuis l’une des entrées 32 et pour mesurer une différence de potentiel électrique P21 entre ce premier signal analogique multiplexé P1 et le potentiel électrique commun de référence P2. Dans l’exemple décrit, chaque amplificateur opérationnel est un amplificateur à gain programmable, également appelés PGA (de l’anglais Programmable-Gain Amplifier), à faible bruit dont le gain peut être programmé jusqu’à une valeur de 24 sans qu’un niveau moyen du bruit introduit dans le signal amplifié par l’amplificateur dépasse une valeur sensiblement de 2 µV pour ce gain de 24.

Le convertisseur analogique comporte en outre une pluralité de convertisseurs analogiques numériques élémentaires 34 de type delta-sigma, chacun relié à la sortie différentielle de l’un des amplificateurs opérationnels 33 pour convertir la différence de potentiel électrique mesurée P21 par cet amplificateur opérationnel en un signal numérique S21. Dans l’exemple décrit, chaque convertisseur élémentaire de type delta-sigma 5 est agencé pour échantillonner la différence de potentiel électrique P21, par exemple à une fréquence d’échantillonnage de 250 Hz, de sorte à obtenir un signal numérique S21 codé sur 24 bits. Cette combinaison de PGA à faible bruit et de convertisseurs de type delta-sigma permet d’obtenir un nombre de bits effectifs d’au moins 19 lorsque le gain de PGA est fixé à 24. De la sorte, le signal numérique S21 obtenu en sortie du convertisseur élémentaire 5 présente une résolution particulièrement satisfaisante, compte tenu des niveaux de tension observés pour les potentiels électriques captés par les électrodes. Il est à noter que la fréquence d’échantillonnage peut avantageusement être modulée, notamment en fonction de la durée d’enregistrement souhaitée.

Le premier dispositif d’acquisition 2 comporte en outre une unité de raccordement 4 à un réseau de transmission de données 5. Le système 1 comporte un module de traitement numérique 6, raccordé au réseau de transmission de données 5 pour recevoir les signaux numériques S21 converti par le convertisseur analogique numérique multivoies 3 et agencé pour mettre en œuvre un ou plusieurs procédés de traitement de ces signaux pour déterminer un état physiologique des plantes P connectées aux premières électrodes 21. Sans que cela soit limitatif, le module de traitement 6 pourra être agencé pour obtenir un spectre à partir des signaux numériques S21 (par exemple au moyen d'une transformée de Fourier ou par une décomposition en ondelettes) et pour déterminer un ou plusieurs indicateurs de puissance spectrale à partir de ce spectre, puis pour mettre en œuvre des procédés d'analyse des variations de ce ou ces indicateurs afin de déterminer l’état physiologique des plantes P

Afin d’alimenter électriquement le premier dispositif d’acquisition 2 et de fournir le potentiel électrique commun de référence P2, le système 1 comporte un panneau photovoltaïque 8 et le premier dispositif d’acquisition 2 comporte une source d’énergie 7 comportant plusieurs batteries électriques rechargeables.

Le panneau photovoltaïque 8 est associé à un régulateur de tension linéaire 81 de type LDO, régulant la puissance électrique générée par le panneau photovoltaïque pour fournir une tension électrique de valeur constante.

Le premier dispositif d’acquisition 1 comporte une première ligne d’alimentation reliant le panneau photovoltaïque 8 et son régulateur 81 à une unité de commutation 82. En période diurne, une unité de contrôle (non représentée) contrôle l’unité de commutation 81 de sorte à autoriser l’alimentation du premier dispositif d’acquisition 2 directement par le panneau photovoltaïque 8. Le cas échéant, le potentiel de référence P2 est ainsi fourni par le régulateur de tension linéaire 81.

Le premier dispositif d’acquisition 1 comporte également une deuxième ligne d’alimentation reliant le panneau photovoltaïque 8 et son régulateur 81 à la source d’énergie 7, via un contrôleur de charge 83. Le contrôle de charge 83 est notamment agencé pour autoriser la charge des batteries de la source d’énergie 7, par exemple en convertissant la puissance électrique fournie par le panneau 8 et le régulateur 81 en une puissance adaptée à la charge des batteries. En période diurne, le panneau photovoltaïque 8 alimente donc le premier dispositif d’acquisition 2 et charge simultanément les batteries électriques de la source d’énergie 7.

La source d’énergie 7 est également reliée à l’unité de commutation 81. En période diurne, l’unité de commutation 81 interdit l’alimentation du premier dispositif d’acquisition 2 par la source d’énergie 7.

En période nocturne, l’unité de commutation 81 autorise l’alimentation du premier dispositif d’acquisition 2 par la source d’énergie 7, par exemple via chacune des batteries ou en variante par la batterie la plus chargée. Le potentiel électrique commun de référence P2 est dans ce cas fourni par la masse de cette ou ces batteries.

Dans l’exemple décrit, le convertisseur analogique numérique multivoies 3, la source d’énergie 7, l’unité de commutation 82 et le contrôleur de charge 83 sont intégrés dans un même boîtier 23 du premier dispositif d’acquisition 2.

Bien que l’exemple décrit en ne décrive qu’un seul premier dispositif d’acquisition 2, il va de soi que le système d’analyse 1 pourra employer une pluralité de dispositifs d’acquisition, chacun étant semblable au premier dispositif d’acquisition 2 et étant connecté à une ou plusieurs autres plantes, les signaux numériques convertis par ces dispositifs étant tous transmis au module de traitement 6 pour y être traités.

La description qui précède explique clairement comment l'invention permet d'atteindre les objectifs qu'elle s'est fixée, et notamment en proposant un système d’analyse électro-physiologique de plantes dont un dispositif d’acquisition est alimenté, directement ou indirectement, au moyen d’un panneau photovoltaïque. On comprend ainsi qu’il n’est pas nécessaire de prévoir de câble d’alimentation électrique ce qui permet de réduire le nombre de câbles nécessaires à l’exploitation du système, et donc de rendre le système plus robuste et plus simple.

En tout état de cause, l'invention ne saurait se limiter aux modes de réalisation spécifiquement décrits dans ce document, et s'étend en particulier à tous moyens équivalents et à toute combinaison techniquement opérante de ces moyens. En particulier, on pourra prévoir de comparer les premiers potentiels électriques captés par les premières électrodes directement à des deuxièmes potentiels électriques captés par les deuxièmes électrodes, les deuxièmes entrées du convertisseur analogique numérique n’étant pas dans ce cas reliées à un même potentiel électrique commun de référence.

Claims

Système (1) d’analyse électro-physiologique de plante, comportant au moins un premier dispositif d’acquisition (2) agencé pour capter des signaux électriques (P1) émis par une ou plusieurs plantes (P) et pour convertir lesdits signaux électriques en des signaux numériques (S21), caractérisé en ce qu’il comporte un panneau photovoltaïque (8) agencé pour alimenter ledit premier dispositif d’acquisition.
Système (1) selon la revendication précédente, caractérisé en ce qu’il comporte un régulateur de tension (81) connecté au panneau photovoltaïque (8).
Système (1) selon la revendication précédente, dans lequel le régulateur de tension (81) est un régulateur linéaire à faible chute de tension.
Système (1) selon l’une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le premier dispositif d’acquisition (2) comporte une batterie électrique (7) rechargeable, le panneau photovoltaïque (8) étant agencé pour charger ladite batterie électrique.
Système (1) selon la revendication précédente, dans lequel le panneau photovoltaïque (8) est agencé pour simultanément charger la batterie électrique (7) et alimenter ledit premier dispositif d’acquisition (2).
Système (1) selon l’une des revendications 4 ou 5, caractérisé en ce qu’il comporte un contrôleur de charge (83) de ladite batterie électrique (7) agencé pour réguler le courant électrique généré par le panneau photovoltaïque (8).
Système (1) selon l’une des revendications précédentes, dans lequel le premier dispositif d’acquisition (2) comprend au moins une première électrode (21) destinée à être connectée à une plante (P) pour capter un premier potentiel électrique analogique (P1), le premier dispositif d’acquisition étant agencé pour générer un signal numérique (S21) à partir dudit premier potentiel électrique analogique.
Système (1) selon la revendication précédente, dans lequel le premier dispositif d’acquisition (2) comporte un convertisseur analogique numérique (3) pourvu d’une première entrée (31) reliée à la première électrode (21) pour recevoir le premier potentiel électrique analogique (P1), le convertisseur analogique numérique étant agencé pour mesurer la différence de potentiel (P21) entre le premier potentiel électrique analogique reçu et un potentiel électrique de référence (P2) et pour convertir cette différence de potentiel mesurée en un signal numérique (S21).
Système (1) selon la revendication précédente, dans lequel le premier dispositif d’acquisition (2) comporte une deuxième électrode (22) destinée à être connectée à ladite plante (P), dans lequel le convertisseur analogique numérique (3) est pourvu d’une deuxième entrée (32) reliée à ladite deuxième électrode, la deuxième entrée étant reliée au potentiel électrique de référence (P2).