# Tests, comparaisons et validations de capteurs IoT pour le suivi hydrique du sol et le niveau d'eau: le projet ECOLOGGING.

Pierre Bordenave

## ► To cite this version:

Pierre Bordenave. Tests, comparaisons et validations de capteurs IoT pour le suivi hydrique du sol et le niveau d'eau: le projet ECOLOGGING. INRAE-UEFP. 2025. hal-04966987v5

HAL Id: hal-04966987

https://hal.inrae.fr/hal-04966987v5

Submitted on 17 Dec 2025

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# Tests et validations de capteurs pour le suivi hydrique du sol et le niveau d'eau : le projet ECOLOGGING

## Références :

https://doi.org/10.17180/wmmr-n514 ; https://hal.inrae.fr/hal-04966987

## Contacts :

BORDENAVE Pierre (UEFP0570_INRAe) : pierre.bordenave@inrae.fr ;

- Version 1 : 26 février 2025

- Version 2 : juillet 2025

- Version 3 : 21 juillet 2025

- Version 4 : 21 novembre 2025

- Version 5 : 17 décembre 2025

## 1. Contexte :

Le projet ECOLOGGING cofinancé par le Département ECODIV et l'infrastructure de recherche AnaEE vise à développer une station instrumentée évolutive, modulable et mobile, capable de concilier qualité et coût pour l'enregistrement des données micro-environnementales. Dans ce rapport, nous allons décrire l'ensemble des actions mises en place pour choisir des capteurs de température et d'humidité du sol ainsi que de hauteur du niveau d'eau libre (ici la nappe phréatique) avec une première étape en laboratoire puis sur le terrain.

Dans le domaine de l'internet des objets (IoT), plusieurs types de capteurs sont disponibles et nécessitent d'être comparés avant d'être déployés dans des installations en forêt (ou autres écosystèmes) pour d'une part vérifier leurs aptitudes à la mesure (justesse, robustesse, fidélité) et d'autre part vérifier leur durabilité dans des conditions difficiles de fonctionnement. Le choix de certains capteurs s'est imposé naturellement en raison de leurs caractéristiques, tandis que pour d'autres, il a été nécessaire de mettre en place un processus complet de validation.

## 2. Choix de la méthode pour valider les capteurs

Comme choix méthodologique, je vais utiliser la méthode Cross Calibration.

### Définition :

La CROSS Calibration est une méthode de qualification croisée entre plusieurs capteurs, dont au moins un capteur de référence connu pour être fiable et précis.

Elle est utilisée quand on veut valider la précision et la cohérence d'un capteur (souvent un nouveau ou bas coût), sans devoir passer par un étalonnage en laboratoire coûteux.

### Descriptif des étapes :
- Installation conjointe des capteurs : on place le capteur à tester et le capteur de référence côte à côte, dans les mêmes conditions environnementales.

- Période de mesure simultanée : On laisse les deux capteurs enregistrer les données en parallèle pendant une période définie.

- Comparaison des données : On compare les mesures prises par le capteur à tester avec celles du capteur de référence :

* Corrélation (à quel point les données varient de la même manière).

* Biais (écart systémique entre une estimation et la valeur réelle (Capteur de référence)).

* Erreur standard.

- Analyse et validation : Si les données sont très proches, alors le capteur est considéré comme qualifié pour la mesure.

Sinon, on peut appliquer une corrélation (calibration) ou rejeter le capteur s'il est trop imprécis.

Les formules mathématiques utilisées sont décrites en annexe 1.

### Les avantages :

Moins cher que l'étalonnage en laboratoire, rapide à mettre en œuvre et reflète les conditions réelles d'utilisation.

### Les conditions d'acquisitions des capteurs :

Pour la validation/inter comparaison en atelier et in situ, ce sera une acquisition toutes les minutes et une moyenne à la demi-heure.

### Les capteurs de comparaisons :

Nous allons utiliser des sondes de sol CS650 et un piézomètre de chez CAMPBELL SCIENTIFIC. Ils seront décrits ci-dessous.

## 3. Descriptif des protocoles en laboratoire

### 3.1 Choix des capteurs de température et d'humidité pour le sol et descriptif du protocole mise en place

Pour réaliser des mesures de températures du sol, nous avons choisi de tester différents types de capteurs de température (thermocouples et une sonde de température). Au contraire, pour la mesure de l'humidité du sol, une seule sonde étanche est disponible sur le marché. Nous allons décrire ces capteurs puis le protocole mis en place pour les valider en laboratoire.

a) Caractéristiques des capteurs testés pour mesurer la température et l'humidité

* Deux types de thermocouples pour mesurer la température
Pour cette expérimentation, nous avons choisi de tester des thermocouples de type T et de type K (seuls thermocouples existants avec la plage de mesure la plus adapté à nos besoins) chacun avec leurs spécificités qui sont décrites dans le Tableau 1.

<table><caption>**Tableau 1.** Caractéristiques des thermocouples testés.</caption><thead><tr><td>Thermocouples</td><td>Plage de mesure</td><td>Résolution</td><td>Coef Seebeck</td><td>Caractéristiques intéressantes</td></tr></thead><tbody><tr><td>Type K</td><td>0 à 750°C</td><td>+ ou - 1,5°C</td><td>41microV/°C</td><td>protection en acier inox</td></tr><tr><td>Type T</td><td>-20 à 350°C</td><td>+ ou - 1°C</td><td>41microV/°C</td><td>gaine PFA mais embout avec soudure apparente</td></tr></tbody></table>

Nous avons programmé un multiplexeur (Gotronic ref : 35168) pour avoir le plus de voies d'acquisition possible car le nombre de canaux d'entrée/sortie analogiques disponibles sur une carte ARDUINO est faible. Un amplificateur de signal de thermocouples (Gotronic ref : 36212) a été ajouté car la tension crée par un thermocouple est très faible de l'ordre de quelques millivolts (mV).

## Le capteur de température DS18B20

Un autre type de sonde pour des mesures en température a été testé. Il s'agit de la sonde nommée DS18B20, qui est étanche et en acier inoxydable. Une photo de cette sonde est visible sur la Figure 1 ainsi que ses caractéristiques techniques (Tableau 2).

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>**Figure 1.** Photo de la sonde de température étanche DS18B20.</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 2.** Caractéristiques de la sonde DS18B20.</caption><thead><tr><td></td><td>Plage de mesure</td><td>Résolution</td></tr></thead><tbody><tr><td>DS18B20</td><td>-10°C à 85°C</td><td>+ ou - 0,5°C</td></tr></tbody></table>

## La sonde de sol capacitive SEN0308 pour les mesures d'humidité

Pour réaliser des mesures d'humidité du sol, nous nous sommes orientés vers un capteur étanche capacitif SEN0308, qui fonctionne sur le principe de l'enregistrement de variation d'un champ électrique (Figure 2) dans un milieu.

Le fonctionnement de ce capteur est relativement simple. Il mesure l'humidité en détectant les variations de capacité électrique dues à la présence d'eau dans le sol (l'eau est un bon conducteur : plus il y a de l'eau et plus la capacité est élevée). Cette variation de capacité est traduite par un signal électrique qui est converti en valeur
numérique. Le capteur est composé de deux électrodes proches l'une de l'autre qui forment un condensateur. Le sol entre ces électrodes joue le rôle de matériau isolant.

Sa variation d'humidité modifie ses propriétés isolantes. La sonde renvoie un signal qui correspond à ce niveau d'humidité. La donnée d'humidité est obtenue après une conversion du signal mesuré avec la fonction MAP (fonction programmée dans l'ARDUINO pour convertir la mesure brute capacitive en un pourcentage indiquant le niveau d'humidité du sol).

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 2.** Photos du capteur capacitif SEN0308 pour la mesure de l'humidité du sol.</figcaption></figure>

Pour la programmation de ces sondes, nous utiliserons le programme du fournisseur.

Puis, il y aura une autre étude qui sera mise en place et décrite en annexe 9 en utilisant l'équation de TOPP qui mesure la teneur en eau volumétrique d'un sol.

b) Descriptif du protocole mis en œuvre pour ces 4 capteurs et description du capteur de référence

Pour approuver les capteurs de température et d'humidité (sonde SEN0308 pour la mesure de l'humidité ; les deux thermocouples et le capteur de température de type DS18B20), il est nécessaire de comparer leurs mesures aux valeurs d'un capteur de référence. Pour ce faire, nous avons utilisé une sonde CS650 de la marque CAMPBELL SCIENTIFIC (Figure 3) qui présente les caractéristiques suivantes (Tableau 3).

<table><caption>**Tableau 3.** Caractéristiques de la sonde étalon CS650 de la marque Campbell Scientific (valeurs du fabricant).</caption><thead><tr><td>CS 650</td><td>Plage de mesure</td><td>Précision</td><td>Résolution</td></tr></thead><tbody><tr><td>Température du Sol</td><td>-50° à 70°C</td><td>&lt; 0,001°C</td><td>+ ou - 0,02°C</td></tr><tr><td>Teneur en Eau Volumétrique</td><td>0 à 100%</td><td>&lt; 0,05%</td><td></td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_4.png" /></figure>
<caption>**Figure 3.** Photo de la sonde CS650 du fabricant CAMPBELL SCIENTIFIC.</caption>

Nous avons installé cette sonde CS650 et tous les autres capteurs dans un bac étanche qui était rempli de sol (sol sableux récupéré sur une parcelle de l'INRAe de CESTAS (33)). Ce bac a été mis ensuite dans une étuve. L'expérimentation constitait à faire varier la température de l'étuve. Pour chaque température définie, et lorsque celle-ci étaient stabilisées, de l'eau (à 13°C) était versée dans le bac pour étudier la modification de température et d'humidité du sol. L'objectif était d'enregistrer les valeurs des capteurs de température et d'humidité à chaque apport d'eau pour chacune des températures du milieu. Des photos décrivant cette expérimentation sont visibles sur la Figure 4.

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 4.** Photos de l'expérimentation dans l'étuve pour l'humidité et la température du sol.</figcaption></figure>

## 3.2 Descriptif du capteur de niveau d'eau et mise en place du protocole

Dans un premier temps nous décrivons le matériel choisi et dans un second temps le protocole mis en œuvre pour valider le capteur de niveau d'eau.

### a) Le capteur pour la mesure du niveau d'eau

Les mesures de niveau d'eau sont réalisées avec le kit0139 qui est un capteur de pression étanche (IP68), voir Tableau 4.

<table><caption>**Tableau 4.** Caractéristiques du piézomètre KIT0139.</caption><thead><tr><td></td><td>Température de service</td><td>Précision</td></tr></thead><tbody><tr><td>KIT 0139</td><td>-20 à 70°C</td><td>0,50%</td></tr></tbody></table>

C'est le seul capteur existant sur le marché à un prix raisonable (52euros HT).

Il fonctionne par mesure de la pression et délivre un courant de 4-20mA.

### b) Descriptif du protocole mis en œuvre pour le capteur du niveau d'eau

Pour ce faire, nous avons utilisé une cuve remplie d'eau dans laquelle le capteur à tester est installé au centre et au fond. Un mètre ruban gradué en centimètre a été fixé contre la paroi afin de vérifier le niveau de l'eau. Pour créer une variation du niveau, nous avons ajouté de l'eau par étapes successives en prenant soin d'attendre la
stabilisation avant d'effectuer plusieurs mesures avec le capteur de pression. Les résultats obtenus ont ensuite été comparés aux relevés du mètre ruban.

Nous ferons une acquisition toutes les minutes pour être dans les conditions le plus réaliste lors du futur déploiement sur le terrain.

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 5.** Expérimentation pour vérifier les mesures du piézomètre.</figcaption></figure>

## 3.3 Descriptif du capteur de température pour l'eau et mise en place du protocole

Nous allons décrire le capteur de température utilisé et ensuite le protocole mis en œuvre pour comparer ce capteur à un capteur de référence qui est une sonde CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC.

### a) Le capteur pour la mesure de la température de l'eau

Le capteur utilisé a déjà été décrit. C'est un DS18B20. Par contre nous avons du ralonger les câbles du capteur car il devra être installer dans un forage (piézomètre) à 2,5m de profondeur (le plus près du capteur de référence).

**Les différentes étapes :**

1) Souder les câbles entre eux ;

2) Mettre de la gaine thermo rétractable ;

3) Prendre la pièce réalisée en impression 3D et mettre du silicone de salle de bain.

4) Insérer les câbles dans le rainurage de la pièce ;

5) Remettre du silicone ;

6) Poser l'opercule et serrer à l'étaux ;

7) Attendre 12 heures de séchage et la pièce est étanche.

<figure><img src="image_7.png" /></figure>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 6.** Isolation des câbles du capteur.</figcaption></figure>

### b) Descriptif du protocole mis en œuvre pour la mesure de température.
Nous avons installé le capteur et sa rallonge étanche dans une cuve remplie d'eau. Nous avons comparé le DS18B20 à un piézomètre CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC qui possède les caractéristiques suivantes voir ci-dessous.

<table><caption>**Tableau 5.** Caractéristiques techniques du piézomètre CS451 de CAMPBELL SCIENTIFIC par rapport au DS18B20 pour mesurer la température de l'eau.</caption><thead><tr><th></th><th>CS451</th><th>DS18B20</th></tr></thead><tbody><tr><th>Type d'alimentation</th><td>Alimentation 12VDC</td><td>Alimentation 5VDC</td></tr><tr><th>Plage de mesure</th><td>0 à 60°C</td><td>-10 à 85°C</td></tr><tr><th>Précision température</th><td>+ ou - 0,2°C</td><td>+ ou - 0,5°C</td></tr><tr><th>Prix HT en €</th><td>850euros</td><td>7euros</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>**Figure 7.** Photo du piézomètre CS451 de CAMPBELL SCIENTIFIC.</figcaption></figure>

Lors de cette expérience de comparaison, nous allons rajouter de l'eau plus ou moins chaude à différentes fréquence et étude l'évolution du capteur IoT par rapport au capteur CS451.

## 4. Résultats des tests en laboratoire

### 4.1 Résultats de l'étude en laboratoire pour le suivi de température et d'humidité du sol

#### a) Mesures de températures par thermocouples

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Figure 6.** Comparaison des mesures de températures avec les thermocouples de type K, de type T et la sonde CS650 en température.</figcaption></figure>

Nous obtenons des coefficients de corrélation R² très élevés (supérieurs à 0,99) pour les deux thermocouples de type T et K. Nous allons donc les tester sur le terrain même si le thermocouple de type K ne peut pas mesurer des températures négatives. Il serait
cependant adapté aux sols du massif landais du Sud-Ouest de la France où les températures négatives sont peu probables théoriquement.

b) Mesures de la température avec la sonde DS18B20

<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>**Figure 7.** Etude comparative de la corrélation R² entre la sonde DS18B20 et la sonde CS650 en température.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>**Figure 8.** Etude comparative Box plots entre la sonde DS18B20 et la sonde CS650 en température.</figcaption></figure>

La Figure 8 montre la bonne corrélation des mesures de température entre la sonde testée (DS18B20) et la sonde de référence CS650 (R² supérieur à 0,95). Ainsi, nous validons le capteur DS18B20 en termes de justesse.

Les box plots en Figure 8 montrent que la distribution est équilibrée autour de la médiane et une variabilité comparable entre la sonde CS650 et la sonde DS18B20.
L'écart-type pour ce type de capteur pour une étude de température dans le sol est de 0,47°C, l'erreur de biais moyenne est de 0.16°C, une erreur quadratique moyenne RMSE de 0.48°C et l'incertitude ±1σ 0.0045°C. Dans ces conditions de mesures dans le sol, nous pouvons dire que le capteur est précis et fiable.

c) Mesures de l'humidité dans le sol

La figure 9 ci-dessous présente les résultats obtenus avec le protocole dans le bac rempli de sol dans l'étuve.

<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 9. Etude comparative entre la sonde SEN0308 et la sonde CS650 en humidité.</figcaption></figure>

Nous pouvons observer clairement la recharge en eau ainsi que la diminution de l'humidité dans le bac en fonction de la température et du temps de séchage. Au vu de ces résultats et d'une caractéristique essentielle de ce capteur (caractère étanche), nous avons validé ce capteur capacitif.

4.2 Résultats de l'étude en laboratoire pour le piézomètre KIT0139 (niveau d'eau)

Dans un premier temps, nous avons réalisé nos mesures avec l'ensemble du kit vendu par Gotronic. Les résultats sont présentés ci-dessous dans le cas où l'on utilise un ADC (convertisseur analogique-numérique) 10 bits (Figure 10) et 16 bits (Figure 11).
<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>**Figure 10.** Etude comparative entre le KIT0139 (avec ADC ARDUINO) et le ruban mètre (en mm).</figcaption></figure>

D'après les Box plots, la variabilité des données est importante, ce qui donne un écart très important entre le ruban mètre et le KIT0139. Ce phénomène s'explique par les capacités d'acquisition de l'ARDUINO Mega (similaire à l'ARDUINO UNO R3) qui est équipé d'un ADC de 10 bits. Pour améliorer les résultats, il convient soit d'utiliser un ARDUINO UNO R4 (qui possède un ADC de 16 bits), soit d'installer un ADC 16 bits (référence Gotronic 35746) entre le microcontrôleur ARDUINO et le capteur.

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>**Figure 11.** Etude comparative entre le KIT0139 (avec ADC 16bits) et le ruban mètre (en mm).</figcaption></figure>

En regardant les résultats avec la nouvelle configuration (Figure 11), nous observons que les données sont concentrées autour de la médiane.
Nous pouvons conclure que suite au diverses expériences réalisées avec le KIT0139 de mesure de niveau d'eau, nous avons obtenu les meilleurs résultats avec l'ADC 16 bits. Nous détaillons plus l'étude en laboratoire dans l'annexe 2.

En date du 03 12 2025, pour améliorer l'étude et la vérification des piézomètres (KIT0139), nous avons développé un nouveau système de qualification définitif qui est détaillé en annexe 3.

## 4.4 Résultats de l'étude en laboratoire pour la sonde DS18B20 dans de l'eau

Nous avons étudié la réaction de la sonde DS18B20 immergée totalement dans de l'eau et l'avons comparé à un piézomètre de chez CAMPBELL SCIENTIFIC.

Voici les résultats du test de comparaison entre les deux capteurs :

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>**Figure 13.** Résultats de l'étude en température piézomètre CS451 de CAMPBELL SCIENTIFIC VS DS18B20.</figcaption></figure>

(1) Le coefficient de corrélation R² étant de 0.9897 ce qui veut dire qu'il existe une bonne relation de mesure entre ces deux capteurs.

(2) L'erreur de biais indique que le capteur sous-estime les valeurs et que le biais varie en fonction de la valeur mesurée. Une surestimation en moyenne de 0.39°C.

(3) Les box plots nous informent que les données des deux capteurs sont centrées autour de la médiane et que les boites ont des tailles similaires. C'est-à-dire qu'ils ont des distributions plutôt équilibrées (résultats comparables en valeur centrales) et ils ont une variabilité comparable.

(4) Nous observons des écarts qui sont liés aux recharges en eaux chaudes. Mais lorsque la température de l'eau est stabilisée, il n'a plus d'écart.
L'incertitude de ce capteur DS18B20 immergé dans de l'eau est de $\pm 1\sigma = 0.0314^\circ C$.

Au vu des résultats, le capteur sera déployé dans un forage pour réaliser une inter comparaison in situ.

Il est déployé à une profondeur de 2.5 mètres et il faut l'adapter pour créer une étanchéité au niveau des raccords. Dans ces conditions, nous pouvons dire que le capteur DS18B20, en immersion totale, est précis et fiable.

## 5. Retour d'expérience après un déploiement sur le terrain

Dans cette expérimentation, nous avons déployé 4 prototypes en extérieur pour effectuer des tests afin de comparer et valider les différents capteurs en conditions réelles d'exploitation. L'acquisition des données pour cette étude est une acquisition toute les minutes et une moyenne à la demi-heure. Ensuite nous allons comparer les moyennes à la demi-heure des équipements testés.

### 5.1 Déploiement sur le terrain du piézomètre et du capteur de température pour le suivi de la nappe.

Dans un premier temps, nous présentons les résultats du capteur acoustique de niveau d'eau KIT0139, comparé à deux piézomètres CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC. Le test comparatif a été réalisé sur la plateforme expérimentale XYLOSYLVE (située à CESTAS-Hermitage en Gironde, Parcelle forestière P13). Ce dispositif a pour objectif l'étude de scénarios sylvicoles innovants appliqués à des peuplements de pin maritime, un écosystème composé principalement de pins, d'ajoncs, de fougères et de genêts. Les deux piézomètres CS451 sont installés dans deux forages (nommés Cabane C5 et Cabane C6) et sont séparés d'environ 215 mètres (Figure 14).

La station instrumentée IoT (mesure de niveau d'eau) déployée, est équipée d'un système d'alimentation électrique continu avec secours intégré. Le capteur de niveau d'eau KIT0139 a été successivement positionné au fond de chacun des forages nommés Cabane C5, puis Cabane C6.

Voici les caractéristiques techniques du piézomètre CS451 pour la mesure de niveau d'eau :

<table><caption>**Tableau 5.** Caractéristiques techniques du piézomètre CS451 de CAMPBELL SCIENTIFIC par rapport au KIT0139 pour mesurer la hauteur du niveau d'eau.</caption><thead><tr><td></td><td>CS451</td><td>Kit0139</td></tr></thead><tbody><tr><td>Type d'alimentation</td><td>Alimentation 12VDC</td><td>Alimentation 5VDC</td></tr><tr><td>Plage de mesure</td><td>0 à 60°C</td><td>-20 à 70°C</td></tr><tr><td>Précision de la hauteur</td><td>+ ou - 0,05%</td><td>+ ou - 0,5%</td></tr><tr><td>Prix HT en €</td><td>850euros</td><td>50euros</td></tr></tbody></table>
Dans un second temps, nous allons comparer la sonde de température DS18B20 au capteurs CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC qui mesure aussi la température de la nappe d'eau.

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>**Figure 14.** Vue aérienne de la plateforme expérimentale XYLOSYLVE P13 et des deux forages pour l'étude du KIT0139.</figcaption></figure>

a) Etude du niveau d'eau de la nappe phréqtique dans des piézomètres

La Figure 15 présente les caractéristiques des forages pour mesurer le niveau de la nappe phréatique.

<figure><img src="image_18.png" /><figcaption>**Figure 15.** Schéma du forage pour la détermination des caractéristiques pour l'étude comparative.</figcaption></figure>

La hauteur de la nappe d'eau (Water Level : niveau de l'eau par rapport au sol) est calculée avec la formule (1). La hauteur de la colonne d'eau est directement fournie par capteur de pression de niveau d'eau KIT0139.

$$ \text{Water Level} = \text{Profondeur du forage} - \text{Hauteur de la colonne d'eau} \quad (1) $$
Les Figure 16 à 23 présentent les résultats du KIT0139 en comparaison avec le piézomètre CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC pour les forages des Cabane C5 et Cabane C6.

<figure><img src="image_19.png" /><figcaption>**Figure 16.** Etude comparative entre le KIT0139 et le piézomètre de chez CAMPBELL SCIENTIFIC installé au forage de la cabane C5.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_20.png" /><figcaption>**Figure 17.** Visualisation de la recharge en eau grâce aux précipitations, mesurée avec les piézomètres installés dans la Cabane C5.</figcaption></figure>
Coefficient de Corrélation R² entre les deux piézomètres étudiés : le KIT0139 et le CS451 de la cabane C5 en mm

<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>**Figure 18.** Corrélation entre les mesures du piézomètre CS451 et celles du KIT0139 dans la Cabane C5.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>**Figure 19.** Etude comparative entre le KIT0139 et le piézomètre de chez CAMPBELL SCIENTIFIC installé à la cabane C6.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>**Figure 20.** Visualisation de la recharge en eau grâce aux précipitations, mesurée avec les Piézomètres dans la Cabane C6.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>**Figure 21.** Corrélation entre les mesures du piézomètre CS451 et celles du KIT0139 dans la Cabane C6.</figcaption></figure>
## Boite à moustache KIT0139 et Piézomètre CS451 de la cabane C6 en mm

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>**Figure 22.** Boite à moustache entre les mesures du piézomètre CS451 et celles du KIT0139 dans la Cabane C6.</figcaption></figure>

## Errur de BIAIS KIT0139 et Piézomètre CS451 de la cabane C6 au fil du temps pour le niveau d'eau

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>**Figure 23.** Errur de biais entre les mesures du piézomètre CS451 et celles du KIT0139 dans la Cabane C6.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>**Figure 24.** Evolution sur 9 mois de l'erreur RMSE entre les mesures du piézomètre CS451 et celles du KIT0139 dans la Cabane C6.</figcaption></figure>

En annexe 4 vous avez une visualisation des données du piézomètre KIT0139 comparé au piézomètre CS451 CAMPBELL SCIENTIFIC de la cabane C6 jusqu'à Mai 2025.

b) Etude de la température de la nappe phréatique dans un piézomètre dans la Cabane C6

Le capteur de température a été installé dans le piézomètre de la cabane C6 à la même profondeur (Figure 25) que le capteur de référence qui est un CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC. L'acquisition se fera toutes les minutes et nous avons aussi une moyenne à l'heure.

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>**Figure 25.** Schéma du forage pour l'installation des deux capteurs à comparer.</figcaption></figure>
Les résultats sont les suivants :

<figure><img src="image_29.png" /></figure>

<figure><img src="image_30.png" /></figure>

<figure><img src="image_31.png" /></figure>

<figure><img src="image_32.png" /></figure>

## Bilan du suivi de la nappe phréatique et de sa température en condition in-situ

Le KIT0139 a démontré une excellente capacité à assurer le suivi de la nappe phréatique. Son comportement est cohérent avec celui des piézomètres CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC, affichant une dynamique similaire et une réactivité satisfaisante lors des épisodes de recharge en eau, notamment après des précipitations (comparaisons et observations environnementales à l'appui) ;

La Figure 22 montre que les médianes sont proches et que les box plots ont des formes semblables. Ce qui veut dire que les données ont une répartition proche. Le petit écart constaté peut être rectifié en affinant l'installation dans la colonne d'eau (Piézomètre). L'incertitude du KIT0139 par rapport au CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC en condition réel est de à $±1\sigma= 0.031\text{mm}$.

Nous pouvons observer sur la figure 23 que les erreurs de biais sont réparties en deux groupes. Pour le groupe compris entre -1600mm et -1200mm, il y a une stabilité sur l'erreur. Entre -1100 et -400, l'erreur varie plus. Cette variation est surtout constatée lors de fort épisode de pluie lié à la recharge en eau du piézomètre (vitesse d'acquisition du capteur).

Les erreurs de biais sont stables et peuvent être réduites avec un recalage plus fin en utilisant une sonde de référence (sonde corail) lors de l'installation dans le forage. Les données initiales ont été corrigées et nous vous présentons le résultat de l'ajustement en annexe 5.
Toutefois, il est impératif de procéder au calibrage du KIT0139 avant chaque installation afin de garantir des mesures fiables et précises. De plus, grâce à l'utilisation du KIT0139, nous avons pu identifier que le piézomètre CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC installé dans la Cabane C5 n'enregistre plus correctement les données, ce qui souligne la nécessité de sa maintenance ou de son remplacement.

Nous pouvons conclure que le KIT 0139 loT piézomètre est précis et fiable.

Par contre, il faudra au minimum une fois par an nettoyer le capteur KIT0139 en démontant doucement la tête de celui-ci et rincer avec de l'eau déminéralisée la membrane (voir annexe 6).

En ce qui concerne le capteur DS18B20 qui mesure la température de l'eau, la figure 26 de résultats nous indique les choses suivantes :

(1) Le coefficient de corrélation R² étant de 0,9897 ce qui veut dire qu'il existe une bonne relation de mesure entre ces deux capteurs.

(2) L'erreur de biais indique que le capteur loT DS18B20 sur estime par rapport à
au capteur de référence CS451. Il sur estime en moyenne de 0.149°C.

(3) Les box plots nous informent que les données sur les deux capteurs :

o Médiane du DS18B20 supérieur au CS451 : Le capteur loT sur estime systématiquement.

o Les boites sont de forme similaire, c'est-à-dire que le capteur loT suit bien la distribution du capteur de référence.

L'incertitude du DS18B20 comparé au piézomètre CS451 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC dans le forage pour une mesure de temperature d'eau est de de ±1σ= 0.15°C. Nous pouvons conclure que le DS18B20 est fiable et précis pour des mesures immergées.

5.2 Déploiement sur le terrain du système choisi pour mesurer la température et l'humidité du sol

a) Test 2a et 2b utilisation de thermocouples de type K et SEN0308 dans différentes installations

Dans un second temps, nous avons mis en œuvre les tests N°2a et N°2b afin de
mesurer la température et l'humidité du sol sur la même plateforme expérimentale
XYLOSYLVE (Parcelle 13 à CESTAS-Hermitage en Gironde).
Nous avons utilisé la station instrumentée équipée d'un système d'énergie de secours,
des sondes de sol SEN0308 (espacées d'environ 60 cm) et des thermocouples type
K en acier inoxydable avec leurs amplificateurs de signal.

Pour le test N°2a, les deux sondes de sol ont été insérées verticalement dans la
couche supérieure du sol à une profondeur de 12cm, conformément aux
recommandations des revendeurs et utilisateurs. En revanche, pour le test N°2b, les
sondes ont été positionnées horizontalement à des profondeurs de 10 cm, 20 cm et 45 cm afin d'obtenir des valeurs spécifiques à différents horizons du sol. La principale difficulté lors de la mesure de l'humidité dans le sol réside dans son hétérogénéité, qui peut provoquer des variations même pour des sondes insérées à un même niveau. Il est donc nécessaire de légèrement compacter le sol lors de l'installation des sondes afin d'éviter la formation de vides anormaux.

La Figure 27 décrit une fosse instrumentée avec les sondes CS650 de CAMPBELL SCIENTIFIC.

<figure><img src="image_33.png" /><figcaption>**Figure 27.** Fosse instrumentée CAMPBELL SCIENTIFIC avec les sondes CS650.</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 6.** Tableau des acronymes pour les résultats des sondes CS650.</caption><caption>Tableau des acronymes pour les sondes CS650 Campbell Scientific de la Fosse 48</caption><tbody><tr><td>TSSF48_10cm_5595 :</td><td>Température Suivi Sol Fosse48 à 10cm N° série 5595</td></tr><tr><td>TSSF48_20cm_5606 :</td><td>Température Suivi Sol Fosse48 à 20cm N° série 5606</td></tr><tr><td>TSSF48_45cm_5597 :</td><td>Température Suivi Sol Fosse48 à 45cm N° série 5597</td></tr><tr><td>HSSF48_10cm_5595 :</td><td>Humidité Suivi Sol Fosse48 à 10cm N° série 5595</td></tr><tr><td>HSSF48_20cm_5606 :</td><td>Humidité Suivi Sol Fosse48 à 20cm N° série 5606</td></tr><tr><td>HSSF48_45cm_5597 :</td><td>Humidité Suivi Sol Fosse48 à 45cm N° série 5597</td></tr></tbody></table>

Les schémas d'installation des tests 2a et 2b sont présentés ci-après (Figures 28 à 30).
<figure><img src="image_34.png" /><figcaption>**Figure 28.** Photo aérienne de l'installation des tests 2a et 2b (point blanc) pour une comparaison à une fosse instrumentée CAMPBELL SCIENTIFIC (point rouge).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_35.png" /><figcaption>**Figure 29.** Installation des sondes de sol et des thermocouples de type K test N°2a.</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 7.** Tableau des acronymes pour les résultats des capteurs du test N°2a</caption><thead><tr><th colspan="2">Tableau des acronymes<br>pour le Test N°2a</th></tr></thead><tbody><tr><td>TF1_10cm :</td><td>Température en °C par Thermocouple type K à 10cm</td></tr><tr><td>TF1_20cm :</td><td>Température en °C par Thermocouple type K à 20cm</td></tr><tr><td>TF1_45cm :</td><td>Température en °C par Thermocouple type K à 45cm</td></tr><tr><td>HR_10cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % à 10cm</td></tr><tr><td>HR_20cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % à 20cm</td></tr><tr><td>HR_45cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % à 45cm</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_36.png" /><figcaption>**Figure 30.** Installation des sondes de sol et des thermocouples de type T test N°2b.</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 8.** Tableau des acronymes pour les résultats des capteurs du test N°2b.</caption><thead><tr><th colspan="2">Tableau des acronymes<br>pour le Test N°2b</th></tr></thead><tbody><tr><td>TF2_10cm :</td><td>Température en °C par Thermocouple type T à 10cm</td></tr><tr><td>TF2_20cm :</td><td>Température en °C par Thermocouple type T à 20cm</td></tr><tr><td>TF2_45cm :</td><td>Température en °C par Thermocouple type T à 45cm</td></tr><tr><td>HR1_10cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % de 0 à 12cm</td></tr><tr><td>HR2_10cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % de 0 à 12cm</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_37.png" /><figcaption>**Figure 31.** Déploiement sur XYLOSYLVE test N°2a et 2b.</figcaption></figure>

L'ensemble des résultats est présenté à travers les Figures 32 à 36. Cette expérience a été déployée de février 2024 à février 2025.
<figure><img src="image_38.png" /><figcaption>**Figure 32.** Résultats des thermocouples pour le test N°2a et N°2b mesures à 10cm et comparaison avec des sondes CS650.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_39.png" /><figcaption>**Figure 33.** Résultats des thermocouples pour le test N°2a et N°2b mesures à 20cm et comparaison avec des sondes CS650.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_40.png" /><figcaption>**Figure 34.** Résultats des thermocouples pour le test N°2a et N°2b mesures à 45cm et comparaison avec des sondes CS650.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_41.png" /><figcaption>**Figure 35.** Résultats des sondes capacitives pour le test N°2b avec comparaisons des sondes CS650 CAMPBELL.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_42.png" /><figcaption>**Figure 36.** Résultats des sondes capacitives pour le test N°2a avec la recharge en eau suite aux précipitations.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_43.png" /><figcaption>**Figure 37.** Résultats des sondes capacitives pour le test N°2b avec la recharge en eau suite aux précipitations.</figcaption></figure>

Nous avons comparé les mesures de températures des thermocouples au mesures de températures des sondes CS650 CAMPBELL SCIENTIFIC présentes sur le site par la méthode du coefficient de corrélation. Les résultats sont présentés dans le Tableau 9 :

<table><caption>**Tableau 9.** Retour sur la comparaison du coefficient (coef) de corrélation entre les sondes de sol CAMPBELL SCIENTIFIC et thermocouples du test N°2a (type K) et N°2b (type T).</caption><thead><tr><th>Température du sol</th><th>10cm</th><th>20cm</th><th>45cm</th></tr></thead><tbody><tr><td>Test N°2a (Expérimentation) coef R²</td><td>0,9312</td><td>0,8382</td><td>0,7854</td></tr><tr><td>Test N°2b (Expérimentation) coef R²</td><td>0,9813</td><td>0,9201</td><td>0,9379</td></tr></tbody></table>
Les résultats des R² indique que les thermocouples de type T (test N°2b) sont plus performants que les thermocouples de type K.

En annexe 7 vous est présenté un retour d'expérience sur l'état des capteurs après un an dans le sol et dans l'annexe 8 nous vous présentons la préparation des sondes SEN0308 de sol pour qu'elles durent le plus longtemps possible.

b) Test 3 utilisation du DS18B20 et SEN0308 dans différentes installations

Ce test N°3 a été déployé pour des mesures de température et d'humidité du sol dans le parc météorologique de l'Hermitage INRAe (en Gironde CESTAS). Nous avons utilisé pour ce test la station instrumentée autonome en énergie, les sondes de sol SEN0308 et les capteurs de températures DS18B20. La Figure 38 ci-dessous montre le descriptif de l'installation des sondes de températures et d'humidité et la Figure 39 des photos du déploiement sur le terrain. Enfin, les Figures 40 et 41 présentent les résultats obtenus pour cette expérimentation.

<figure><img src="image_44.png" /><figcaption>**Figure 38.** Schéma d'installation des sondes de sol et des capteurs de température DS18B20 test N°3.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_45.png" /><figcaption>**Figure 39.** Photo du déploiement sur le Parc de la station météorologique test N°3.</figcaption></figure>
<table><caption>Tableau 10. Tableau des acronymes pour le test N°3.</caption><thead><tr><th colspan="2">Tableau des acronymes<br>pour le Test N°3</th></tr></thead><tbody><tr><td>TF1_10cm :</td><td>Température en °C par sonde DS18B20 à 10cm</td></tr><tr><td>TF1_20cm :</td><td>Température en °C par sonde DS18B20 à 20cm</td></tr><tr><td>TF1_45cm :</td><td>Température en °C par sonde DS18B20 à 45cm</td></tr><tr><td>HR12cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % de 0 à 12cm</td></tr><tr><td>HR24cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % de 12 à 24cm</td></tr><tr><td>HR36cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % de 24 à 36cm</td></tr><tr><td>HR48cm :</td><td>Sonde Capacitive mesure teneur en eau en % de 36 à 48cm</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_46.png" /><figcaption>Figure 40. Résultats des capteurs DS18B20 pour le test N°3.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_47.png" /><figcaption>Figure 41. Résultats des capacitifs SEN0308 pour le test N°3.</figcaption></figure>
Les sondes de mesures d'humidité de sol SEN0308 ont apporté une grande satisfaction en offrant des résultats précis et fiables. Concernant les thermocouples, le type K présente l'avantage d'être robuste grâce à sa gaine de protection en acier inoxydable. Toutefois, il ne permet pas d'acquérir des températures négatives. À l'inverse, le type T est capable de mesurer des températures négatives, mais il s'avère plus fragile, ce qui peut limiter son utilisation dans certains environnements exigeants (sol caillouteux, argileux...).

Les sondes de mesure de la température DS18B20 se distinguent par leur robustesse grâce à leur conception en acier inoxydable. Elles offrent d'excellents résultats, sont faciles d'utilisation et présentent un rapport qualité/prix particulièrement avantageux.

Il est fortement recommandé de procéder au calibrage des sondes de sol en atelier avant chaque installation afin d'assurer la fiabilité des mesures par comparaison avec un système possédant un certificat de calibration (exemple : sonde CS650 de chez Campbell Scientific pour comparaison avec la sonde SEN0308).

## 6. Conclusion :

L'étude menée a permis de valider l'efficacité du KIT0139 pour le suivi de la nappe phréatique ainsi que des sondes SEN0308, des thermocouples et les DS18B20 pour les mesures d'humidité, de température du sol et de l'eau. Les résultats obtenus mettent en évidence l'importance de l'étalonnage/vérification préalable des capteurs pour garantir la qualité des données acquises en fonction du sol du lieu de déploiement.

A noter qu'il sera possible de créer également une grande base de données de calibrage des capteurs SEN0308 en fonction de la nature du sol. Avant toute installation des sondes de sol SEN0308 dans le sol, il faudra les préparer de la façon suivante pour augmenter la durée de vie de ces sondes voir annexe 8.

Nous avons un retour d'expérience des données collectées des installations 2a et 2b et de l'état des capteurs en conditions d'utilisation réelles après une année dans le sol (voir annexe N°7).

Nous avons mis en place une nouvelle méthode d'acquisition (développée début 2025) pour les sondes d'humidité SEN0308 en utilisation l'équation de TOPP qui est décrite en annexe N°9.

Avec l'aide des différentes méthodes d'acquisitions du signal pour les sondes de sol, nous vous présentons un tableau comparatif sur les sondes CS650 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC aux sondes SEN0308.
<table><caption>Tableau 11. Comparatif CS650 au SEN0308.</caption><thead><tr><th></th><th>CS650</th><th>SEN0308</th></tr></thead><tbody><tr><td>Méthode de mesure</td><td>Mesure par réflectométrie temporelle</td><td>Mesure capacitive</td></tr><tr><td>Type d'alimentation</td><td>Alimentation 12VDC</td><td>Alimentation 5VDC</td></tr><tr><td>Profondeur de pénétration</td><td>Profondeur de pénétration 33cm</td><td>Profondeur de pénétration 12cm</td></tr><tr><td>Type de signal</td><td>SDI12</td><td>Analogique</td></tr><tr><td>Précision VWC</td><td>3%</td><td>3%</td></tr><tr><td>Prix HT en €</td><td>150</td><td>14,58</td></tr><tr><td>Type de mesures</td><td>Permittivité diélectrique</td><td>Permittivité diélectrique</td></tr><tr><td></td><td>Volumetric Water Content (VWC)</td><td>Volumetric Water Content (VWC)</td></tr><tr><td></td><td>Conductivité électrique</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Température du sol</td><td></td></tr></tbody></table>

Les sondes CS650 ont un plus grand retour d'expérience positif depuis plusieurs années (précise, robuste et adaptée à un usage professionnel) tandis que les SEN0308 (technologie plus récente) sont simples à mettre en fonctionnement, accessibles et idéales pour une estimation rapide de l'humidité du sol. Il faut par contre absolument associer les sondes SEN0308 à des capteurs de températures pour vérifier les dynamiques de courbes, les vérifier en étuves et voir même les comparer à des CS650 en fonction du sol à étudier avant chaque déploiement dans le but d'avoir des mesures référentes.

Nous observons quand même des différences entre la CS650 et la SEN0308 qui sont dues à la méthode d'acquisition du signal et aux caractéristiques techniques de ces deux différents types de sondes :

- Méthode de réflectométrie pour la CS650 et méthode de mesure par une tension analogique corrélée à une teneur en eau pour la sonde SEN0308.

- L'influence de la fréquence de mesure.

- La SEN0308 mesure 12cm et la sondes CS650 mesure 33cm. Ce qui veut dire que le sonde CS650 intègre son acquisition sur une plus grande plage.

Ce sont deux types de sondes qui peuvent être complémentaires en fonction des projets et du financement.

Les SEN0308 jouent totalement leurs rôles.

Si vous cliquez sur ces liens, ils vous conduiront sur deux rapports :

1) Un rapport de comparaison très détaillé sur des sondes DS18B20 (mesure de température du sol) et SEN0308 (mesure du VWC par l'équation de TOPP) à des sondes CS650 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC qui sont déployées pour le projet IoT PROSPER :

2) https://hal.inrae.fr/hal-05136493 ; https://doi.org/10.17180/1shr-w786

3) Un rapport de déploiement de la station instrumentée pour étudier la fluctuation d'une nappe phréatique en hauteur d'eau et en température : https://doi.org/10.17180/57kw-9f45 ; https://hal.inrae.fr/hal-05137708
## REMERCIEMENTS :

Je tiens tout particulièrement à remercier le département ECODIV qui a financé le projet ECOLOGGING dans le but de développer de nouveaux capteurs en IoT pour les mesures dans les écosystèmes.

Ce projet a aussi bénéficié de l'apport financier de l'infrastructure nationale AnaEE France au travers du programme d'actions initiatives des infrastructures nationales de l'AllEnvi en lien avec le Ministère chargé de la recherche (MESR) et qui m'a permis de continuer de développer ce projet.

Je tiens aussi à remercier Pierre TRICHET, Frédéric BERNIER, Alexia MATHOU qui m'ont poussé, encouragé, et soutenu pour continuer à faire évoluer ce projet.

Franck PERRET, Nicolas WALKER et Frédéric CHERQUI avec qui j'ai pu échanger, discuter et qui m'ont fait partager leur expérience au sujet du KIT0139.

Hugo BROUTIN du BTS ATI du Lycée A. KASTLER de Talence qui a réalisé les plans des maquettes en impression 3D (stage Mai-Juin 2025).

Frédéric Lagane de BIOGECO qui m'a réalisé les systèmes de centrage en impression 3D pour les capteurs de niveau d'eau.

Et pour finir un grand merci à Céline MEREDIEU et Arnaud DUCANCHEZ pour l'aide à la rédaction et conseils.
Références bibliographiques des capteurs testés :

https://www.gotronic.fr/art-amplificateur-i2c-grove-101020594-28911.htm

https://www.gotronic.fr/art-module-multiplexeur-i2c-ada2717-26051.htm

https://learn.adafruit.com/adafruit-tca9548a-1-to-8-i2c-multiplexer-breakout/overview

https://wiki.seeedstudio.com/Grove-I2C_Thermocouple_Amplifier-MCP9600/

https://www.gotronic.fr/art-capteur-d-humidite-capacitif-gravity-sen0308-32249.htm

https://www.gotronic.fr/art-sonde-etanche-ds18b20-19339.htm

https://wiki.dfrobot.com/Waterproof_DS18B20_Digital_Temperature_Sensor__SKU__DFR0198_

https://fr.rs-online.com/web/p/thermocouples/3342622

https://fr.rs-online.com/web/p/thermocouples/6212209?searchId=c29ad0c7-214a-4ee9-867f-786af9f9a2d0&gb=s

https://www.gotronic.fr/art-module-multiplexeur-i2c-ada2717-26051.htm
Annexe N°1 : Formules mathématiques.

$$
\text{Coefficient de corrélation R}^2 : \quad \frac{\sum_{i=1}^{n} (\hat{y}_i - \bar{y})^2}{\sum_{i=1}^{n} (y_i - \bar{y})^2}
$$

Érreur Absolue : $E_{\text{absolue}} = |V_{\text{mesurée}} - V_{\text{vraie}}|$

$$
\text{Erfour Relative (\%):} \qquad \text{Erfour relative (\%)} = \frac{|x_{\text{mesuré}} - x_{\text{vrai}}|}{|x_{\text{vrai}}|} \times 100
$$

$$
\text{Erfour RMSE :} \qquad \text{RMSE} = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} e_i^2}
$$

$$
\text{Coefficient de Variation :} \qquad \text{CV (\%)} = \frac{\sigma}{\mu} \times 100
$$

$$
\text{Moyenne :} \qquad \bar{x} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} x_i
$$

$$
\text{Ecart Type :} \qquad \sigma = \sqrt{\frac{\sum_{i=1}^{N} (x_i - \mu)^2}{N}}
$$

Incertitude type A : $$ u_A = \frac{s}{\sqrt{n}} $$
# Annexe N°2 : Etude complète en atelier pour qualifier le KIT0139 capteur de niveau d'eau.

Voici l'étude complète en laboratoire pour comprendre le fonctionnement du (KIT0139) capteur de mesure de niveau d'eau, le comparer et le valider pour un déploiement en extérieur.

<figure><img src="image_48.png" /><figcaption>**Figure 42.** Boite à moustache entre les mesures du ruban mètre et le KIT0139 pour la validation en atelier.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_49.png" /><figcaption>**Figure 43.** Boite à moustache et coefficient de corrélation entre les mesures du ruban mètre et le KIT0139 pour la validation en atelier.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_50.png" /><figcaption>**Figure 44.** Coefficient de corrélation entre les mesures du ruban mètre et le KIT0139 pour la validation en atelier.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_51.png" /><figcaption>**Figure 45.** Evolution de l'erreur absolue en mm dans le temps.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_52.png" /><figcaption>**Figure 46.** Evolution de l'erreur relative en mm dans le temps.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_53.png" /><figcaption>**Figure 47.** Evolution de l'erreur RMSE en mm dans le temps.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_54.png" /><figcaption>**Figure 48.** Evolution de l'erreur de biais en mm par rapport au ruban mètre.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_55.png" /><figcaption>**Figure 49.** Coefficient de variation en fonction des plateaux de mesures.</figcaption></figure>
### ECART-TYPE en mm

<figure><img src="image_56.png" /><figcaption>**Figure 50.** Ecart-type en fonction des plateaux de mesures.</figcaption></figure>

### Incertitude Type A en mm

<figure><img src="image_57.png" /><figcaption>**Figure 51.** Incertitude type A en fonction des plateaux de mesures.</figcaption></figure>

### Tableau 12. Tableau de résultats du KIT0139 par pallier de mesures.

<table><thead><tr><th>Coef de Variation pour 172 mm</th><th>Coef de Variation pour 240 mm</th><th>Coef de Variation pour 304mm</th><th>Coef de Variation pour 399 mm</th><th>Coef de Variation pour 502 mm</th></tr></thead><tbody><tr><td>0,693</td><td>0,542</td><td>0,448</td><td>0,328</td><td>0,205</td></tr><tr><td>Moyenne pour 172mm</td><td>Moyenne pour 240mm</td><td>Moyenne pour 304mm</td><td>Moyenne pour 399mm</td><td>Moyenne pour 502mm</td></tr><tr><td>177,136</td><td>239,019</td><td>306,942</td><td>401,369</td><td>501,118</td></tr><tr><td>ECARTTYPE pour 172mm</td><td>ECARTTYPE pour 240mm</td><td>ECARTTYPE pour 304mm</td><td>ECARTTYPE pour 399mm</td><td>ECARTTYPE pour 502mm</td></tr><tr><td>1,227</td><td>1,295</td><td>1,374</td><td>1,318</td><td>1,025</td></tr><tr><td>Incertitude type A pour 172mm</td><td>Incertitude type A pour 240mm</td><td>Incertitude type A pour 304mm</td><td>Incertitude type A pour 399mm</td><td>Incertitude type A pour 502mm</td></tr><tr><td>0,088</td><td>0,051</td><td>0,029</td><td>0,089</td><td>0,064</td></tr></tbody></table>
<table><caption>Tableau 13. Tableau global du résultat du KIT0139.</caption><thead><tr><td>n : nombre de mesure totale</td><td>Ecart-type global en mm</td><td>Incertitude Global type A en mm</td><td>Moyenne erreur de biais en mm</td><td>RMSE en mm</td></tr></thead><tbody><tr><td>4190</td><td>1,248</td><td>0,019</td><td>-1,94</td><td>2,80</td></tr></tbody></table>

**Conclusion :**

L'étude de performance du capteur de mesure de niveau a été réalisée sur cinq paliers compris entre 172mm et 502mm. Les coefficients de variation, tous inférieurs à 1 %, indiquent une bonne répétabilité des mesures, avec une amélioration notable lorsque la distance augmente (de 0.693 à 0.205). Les écarts-types locaux sont tous proches de 1 à 1.3 mm, ce qui confirme une dispersion faible et stable selon les paliers. L'incertitude type A varie de 0.029 à 0.089mm, indiquant une bonne stabilité statistique sur les séries de mesures.

L'analyse globale, réalisée sur 4190 points, révèle un écart-type général de 1.248 mm, cohérent avec les analyses par palier. L'incertitude type A globale est très faible (0.019 mm), signe de la grande répétabilité des mesures moyennées. La présence d'un biais moyen de -1.94 mm indique cependant un décalage systématique du capteur, probablement dû à un étalonnage perfectible. Enfin, la RMSE de 2.80 mm caractérise l'erreur quadratique moyenne du système et traduit l'effet combiné du bruit de mesure et du biais. Globalement, le capteur présente une bonne précision relative mais nécessite une correction systématique pour améliorer la justesse absolue.
# Annexe N°3 : Nouveau système de vérification des piézomètres IoT.

## Objectif :

Comparez les mesures de hauteur d'eau obtenues avec le piézomètre testé à celles obtenues avec la sonde CORAIL qui est utilisée comme moyen de référence.

## Matériel :

* Sonde piézométrique CORAIL (référence).

* Piézomètre à tester, équipé du système de centrage anti-biais.

* Colonne d'eau (2.12m en PVC étanche).

* Eau claire (ajouts successifs de 2 Litres).

## Procédure :

* Remplissage initial

* Remplir la colonne d'eau à un niveau de départ connu.

* Installer le piézomètre dans la colonne en vérifiant que le système de centrage le maintien parfaitement droit et centré.

* Mesure de référence

* Introduire la sonde CORAIL verticalement dans la colonne.

* Noter la hauteur d'eau mesurée au moment où le signal (sonore/lumineux) indique l'affleurement.

* Retirer la sonde.

* Mesure avec le piézomètre

* Laisser le piézomètre en place et relever la hauteur d'eau indiquée par son capteur.

* L'acquisition est automatique.

* Nous laissons le système de mesure pendant 10 à 12 heures pour vérifier s'il n'y a pas de dérive dans le temps et que l'évolution de l'erreur est constante.

* Ajouts successifs d'eau

* Ajouter 2L d'eau dans la colonne.

* Refaire les mesures jusqu'à ce que la colonne soit remplit d'eau : mesure avec la sonde CORAIL à chaque nouveau niveau d'eau et le piézomètre en continu.

* Répéter la séquence ajout → mesure → comparaison autant de fois que nécessaire.

Ce protocole nous permet d'évaluer la précision du piézomètre KIT0139 par rapport à la sonde CORAIL tout en garantissant l'absence de biais grâce au système de centrage intégrée au piézomètre et d'étudier toute dérive dans le temps.
Par contre, il faudra penser à recaler le piézomètre KIT0139 lors de son installation en expérimentation.

Descriptif de la sonde CORAIL : La sonde CORAIL est une sonde conçue pour mesurer le niveau d'eau. Elle fonctionne en abaissant la sonde dans un puits. Dès qu'elle entre ne contact avec l'eau, elle déclenche un signal sonore et lumineux pour indiquer que l'eau est atteinte. Le niveau est ensuite lu directement sur le ruban gradué qui est relié à la sonde, ce qui permet de connaître précisément la hauteur d'eau dans la colonne.

<figure><img src="image_58.png" /><figcaption>**Figure 52.** Matériel pour vérifier le bon fonctionnement du nouveau système de vérification pour les piézomètres IoT KIT 0139.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_59.png" /><figcaption>**Figure 53.** Système de centrage pour les piézomètres IoT KIT 0139.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_60.png" /><figcaption>**Figure 54.** Plan du système de centrage pour les piézomètres IoT KIT 0139 (@Frédéric Lagane).</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 14.** Tableau d'information pour le centrage du KIT0139.</caption><thead><tr><td>Pièce imprimée</td><td>Centrage KIT0139</td></tr></thead><tbody><tr><td>Coût</td><td>2,59 €</td></tr><tr><td>Durée d'impression</td><td>4h21</td></tr><tr><td>Type de filament</td><td>PETG HS</td></tr><tr><td>Masse filament (g)</td><td>87</td></tr><tr><td>Hauteur de couche (mm)</td><td>0,2</td></tr><tr><td>Remplissage (%)</td><td>100</td></tr><tr><td>Imprimantes 3D</td><td>Bambu lab P1S</td></tr><tr><td>vitesse (%)</td><td>100</td></tr><tr><td>diamètre buse (mm)</td><td>0,4</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_61.png" /><figcaption>**Figure 55.** Boite à moustache du KIT0139 pour la validation en atelier avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_62.png" /><figcaption>**Figure 56.** Boite à moustache et coefficient de corrélation du KIT0139 pour la validation en atelier avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_63.png" /><figcaption>**Figure 57.** Coefficient de corrélation du KIT0139 pour la validation en atelier avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_64.png" /><figcaption>**Figure 58.** Evolution de l'erreur absolue en mm dans le temps avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_65.png" /><figcaption>**Figure 59.** Evolution de l'erreur relative en mm dans le temps avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_66.png" /><figcaption>**Figure 60.** Evolution de l'erreur RMSE en mm dans le temps avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_67.png" /><figcaption>**Figure 61.** Evolution de l'erreur de biais en mm par rapport au ruban mètre avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>
Coefficient de variation en fonction des plateaux de mesures

<figure><img src="image_68.png" /><figcaption>**Figure 62.** Coefficient de variation en fonction des plateaux de mesures avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>

ECART-TYPE en mm

<figure><img src="image_69.png" /><figcaption>**Figure 63.** Ecart-type en fonction des plateaux de mesures avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>
<figure><img src="image_70.png" /><figcaption>**Figure 64.** Incertitude type A en fonction des plateaux de mesures avec la colonne d'eau.</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 15.** Tableau de résultats du KIT0139 par pallier de mesures avec la colonne d'eau.</caption><thead><tr><th>Coef de Variation pour 385mm</th><th>Coef de Variation pour 565mm</th><th>Coef de Variation pour 742mm</th><th>Coef de Variation pour 930mm</th><th>Coef de Variation pour 1115mm</th></tr></thead><tbody><tr><td>0,211</td><td>0,165</td><td>0,125</td><td>0,096</td><td>0,094</td></tr><tr><td>Moyenne pour 385mm</td><td>Moyenne pour 565mm</td><td>Moyenne pour 742mm</td><td>Moyenne pour 930mm</td><td>Moyenne pour 1115mm</td></tr><tr><td>384,04</td><td>565,44</td><td>747,66</td><td>931,50</td><td>1113,57</td></tr><tr><td>ECARTTYPE pour 385mm</td><td>ECARTTYPE pour 565mm</td><td>ECARTTYPE pour 742mm</td><td>ECARTTYPE pour 930mm</td><td>ECARTTYPE pour 1115mm</td></tr><tr><td>0,81</td><td>0,93</td><td>0,93</td><td>0,90</td><td>1,05</td></tr><tr><td>Incertitude type A pour 385mm</td><td>Incertitude type A pour 565mm</td><td>Incertitude type A pour 742mm</td><td>Incertitude type A pour 930mm</td><td>Incertitude type A pour 1115mm</td></tr><tr><td>0,038</td><td>0,015</td><td>0,039</td><td>0,030</td><td>0,044</td></tr></tbody></table>

<table><caption>**Tableau 16.** Tableau global du résultat du KIT0139 avec la colonne d'eau.</caption><thead><tr><th>Coef de Variation pour 1292mm</th><th>Coef de Variation pour 1475mm</th><th>Coef de Variation pour 1655mm</th><th>Coef de Variation pour 1838mm</th><th>Coef de Variation pour 1976mm</th></tr></thead><tbody><tr><td>0,071</td><td>0,064</td><td>0,055</td><td>0,048</td><td>0,046</td></tr><tr><td>Moyenne pour 1292mm</td><td>Moyenne pour 1475mm</td><td>Moyenne pour 1655mm</td><td>Moyenne pour 1838mm</td><td>Moyenne pour 1976mm</td></tr><tr><td>1292,34</td><td>1474,58</td><td>1655,94</td><td>1837,62</td><td>1976,95</td></tr><tr><td>ECARTTYPE pour 1292mm</td><td>ECARTTYPE pour 1475mm</td><td>ECARTTYPE pour 1655mm</td><td>ECARTTYPE pour 1838mm</td><td>ECARTTYPE pour 1976mm</td></tr><tr><td>0,92</td><td>0,94</td><td>0,92</td><td>0,88</td><td>0,91</td></tr><tr><td>Incertitude type A pour 1292mm</td><td>Incertitude type A pour 1475mm</td><td>Incertitude type A pour 1655mm</td><td>Incertitude type A pour 1838mm</td><td>Incertitude type A pour 1976mm</td></tr><tr><td>0,031</td><td>0,039</td><td>0,031</td><td>0,037</td><td>0,031</td></tr></tbody></table>

<table><thead><tr><th>n: nombre de mesure totale</th><th>Ecart-type global</th><th>Incertitude Global type A</th><th>Moyenne erreur de biais en mm</th><th>RMSE en mm</th></tr></thead><tbody><tr><td>10051</td><td>0,925</td><td>0,009</td><td>-0,648</td><td>1,822</td></tr></tbody></table>

Nous pouvons conclure que le nouveau système de qualification utilisant la colonne d'eau et le système de centrage améliore nettement la qualification des capteurs de niveau d'eau KIT0139 et élimine tous les biais.
Annexe N°4 : Piézomètre KIT0139 jusqu'à Mai 2025.

<figure><img src="image_71.png" /><figcaption>**Figure 65.** Evolution du piézomètre KIT0139 jusqu'à mai 2025 par rapport au piézomètre CS451 de la cabane 6.</figcaption></figure>
Annexe N°5 : Correction des données initiales et recalage des résultats.

Suite au décalage de 30mm du départ, nous vous exposons les résultats avec le recalage de 30mm pris en compte.

### Errur de BIAIS KIT0139 et Piézomètre CS451 de la cabane C6 au fil du temps pour le niveau d'eau

<figure><img src="image_72.png" /><figcaption>**Figure 66.** Errur de biais entre les mesures du piézomètre CS451 et celles du KIT0139 dans la Cabane C6.</figcaption></figure>

### Evolution de l'erreur RMSE KIT0139 et Piézomètre CS451 de la cabane 6 au fil du temps pour le niveau d'eau

<figure><img src="image_73.png" /><figcaption>**Figure 67.** Evolution sur 9 mois de l'erreur RMSE entre les mesures du piézomètre CS451 et celles du KIT0139 dans la Cabane C6.</figcaption></figure>
<table><caption>Tableau 17. Tableau des acronymes pour le test N°3.</caption><thead><tr><td>Niveau d'eau en mm</td><td>KIT0139</td></tr></thead><tbody><tr><td>Érreur de biais moyenne</td><td>3,14</td></tr><tr><td>Écart type</td><td>3,45</td></tr><tr><td>Incertitude</td><td>0,031</td></tr><tr><td>Érreur quadratique moyenne RMSE</td><td>4,66</td></tr></tbody></table>

En conclusion, le KIT0139 aura toujours une tendance à sur estimer. La prise en compte de l'erreur de départ améliore considérablement la précisions des résultats.
Annexe N°6 : Nettoyage du KIT0139 et vue éclatée du capteur.

<figure><img src="image_74.png" /><figcaption>**Figure 68.** Démontage et nettoyage de la membrane.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_75.png" /><figcaption>**Figure 69.** Vue éclatée du Kit0139</figcaption></figure>
# Annexe N°7 : retour d'expérience et état des capteurs après une année dans un sol sableux.

Voici une photo montrant les capteurs SEN0308 et les thermocouples suite à une année d'installation dans le sol.

<figure><img src="image_76.png" /><figcaption>**Figure 70.** Etat des sondes capacitives SEN0308 et des thermocouples.</figcaption></figure>

Nous avons observé aucune trace d'oxydation, ni de corrosion. Elles ont été vérifiées en atelier. Les sondes SEN0308 obtiennent les mêmes valeurs de conductivité qu'il y a un an avec le calibrage eau/air. Les thermocouples fonctionnent toujours.

<figure><img src="image_77.png" /><figcaption>**Figure 71.** Etat des sondes capacitives SEN0308 et des thermocouples.</figcaption></figure>

L'avantage de cet équipement, c'est qu'il laisse aucune trace de son passage. Le site est propre dès qu'on arrête le projet.
Annexe N°8 : Préparation des sondes de sol SEN0308
pour augmenter la durée de vie.

<figure><img src="image_78.png" /><figcaption>**Figure 72.** Descriptif des différentes étapes pour améliorer la durée de vie des sondes de sol SEN0308.</figcaption></figure>
# Annexe N°9 : nouvelle technique de calcule pour obtenir le pourcentage d'humidité volumétrique en VWC (Volumetric Water Content unité %) et la permittivité du sol.

Cette méthode utilisée est une autre façon de traiter le signal analogique de la sonde SEN0308. Nous nous sommes appuyés sur l'équation de TOPP.

## A) La programmation.

Pour mettre en évidence cette technique de mesure, nous utilisons toujours la sonde SEN0308. Dans le programme nous réaliserons les étapes suivantes :

- Mesure de la valeur analogique du capteur et conversion en tension avec le capteur.

- Convertir cette tension en permittivité relative

La permittivité relative donne des informations sur la propagation du signal électrique dans un horizon de sol. Elle dépend de la teneur en eau, de la composition minérale et de sa densité.

- Application de l'équation de TOPP pour obtenir l'humidité volumétrique.

C'est une relation empirique utilisée pour estimer la teneur en eau volumétrique d'un sol à partir de sa permittivité diélectrique relative.

- Convertir en pourcentage l'humidité volumétrique.

## B) Mise en place de l'expérience.

Dans un premier temps, il faut absolument penser à étalonner les sondes SEN0308 à l'air et ensuite dans l'eau pour obtenir les valeurs références et les mettre dans le code.
<figure><img src="image_79.png" /><figcaption>**Figure 73.** Calibration air/eau des sondes SEN0308.</figcaption></figure>

const float VOLTAGE_AIR0 = 2.85; // Mesure réelle en air (ajuste après test) 2,81
const float VOLTAGE_WATER0 = 0; // Mesure réelle en eau (ajuste après test)
const float VOLTAGE_AIR1 = 2.86; // Mesure réelle en air (ajuste après test) 2,81
const float VOLTAGE_WATER1 = 0; // Mesure réelle en eau (ajuste après test)

<caption>**Figure 74.** Données ajustées suite à la calibration des sondes SEN0308.</caption>

Puis dans un second temps, nous reproduirons l'expérience réalisé en laboratoire en étuve avec les sondes SEN0308 et les comparer aux sondes CS650 de chez CAMPBELL SCIENTIFIC à différentes températures et différentes teneurs en eau du sol (nous injecterons dans le bac de l'eau à 13°C à trois moments différents).
Voici le retour d'expérience :

<figure><img src="image_80.png" /><figcaption>**Figure 75.** Etude dynamique avec la méthode fournisseur d'acquisition de l'humidité.</figcaption></figure>
Evaluation du VolumetricWaterContent VWC en étuve : étude du comportement des sondes loT
SEN0308 à la sonde CS650 campbell sci **méthode développée**

<figure><img src="image_81.png" /><figcaption>**Figure 76.** Etude dynamique avec la nouvelle méthode d'acquisition des signaux développée.</figcaption></figure>

Les deux études dynamiques (Figure 45 et 47) montrent que les deux sondes SEN0308 répondent aussi bien que la sonde CS650.

Les résultats de la nouvelle méthode (Figure 45) collent le plus possible à la sonde de vérification CS650.

<figure><img src="image_82.png" /><figcaption>**Figure 77.** Etude comparative entre la sonde SEN0308 N°1/N°2 et la sonde CS650 en VWC.</figcaption></figure>

Les résultats des R² confirme (Figure 46) que cette méthode d'acquisition du signal pour la sonde SEN0308 est plus adaptée que la méthode d'acquisition du fournisseur.
<figure><img src="image_83.png" /><figcaption>**Figure 78.** Boite à moustaches entre la sonde SEN0308 N°1/N°2 et la sonde CS650 en VWC.</figcaption></figure>

Nous observons des différences entre les maximums au niveau des boites à moustaches des sondes SEN0308 et CS650. Ces différences sont dues à la méthode d'acquisition et aux caractéristiques techniques.

Les incertitudes pour ces 2 sondes sont les suivantes par rapport à la sonde de référence qui est une CS650 : sonde SEN0308_N1 ±1σ= 7.8% et sonde SEN0308_N2 ±1σ= 2.04%.

Références bibliographiques pour cette méthode de calcul et programmation :

https://help.campbellsci.com/cs650-cs655/cs650-cs655/operation/topp-equation.htm?TocPath=Operation%7CWater%20content%20reflectometer%20metho-d%20for%20measuring%20volumetric%20water%20content%7C 1

https://www.researchgate.net/figure/The-modelled-dielectric-permittivity-using-Topps-equation-solid-line-and-CRIM-dashed_fig7_221927920

https://www.researchgate.net/figure/olumetric-moisture-content-Topps-Equation-as-a-function-of-time-during-the-drainage_fig4_331937671

https://soilsensor.com/articles/dielectric-permittivity/
https://hal.science/hal-00425429v1/document