<figure><img src="image_1.png" /></figure>

HAL
open science

# Déploiement d'une station instrumentée pour le suivi du niveau d'eau et de la température d'une nappe phréatique : ECOLOGGING

Pierre Bordenave, Philippe Chaumeil

► To cite this version:

Pierre Bordenave, Philippe Chaumeil. Déploiement d'une station instrumentée pour le suivi du niveau d'eau et de la température d'une nappe phréatique : ECOLOGGING. INRAe UEFP. 2025. hal-05137708

HAL Id: hal-05137708

https://hal.inrae.fr/hal-05137708v1

Submitted on 15 Jul 2025

HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

Public Domain
# Déploiement des capteurs pour le suivi du niveau d'eau et en température d'une nappe phréatique.

## Contacts :

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

CHAUMEIL Philippe (BIOGECO) : philippe.chaumeil@inrae.fr ;

## Références :

https://doi.org/10.17180/57kw-9f45 ; https://hal.inrae.fr/hal-05137708

Version 1 : Juillet 2025

Version 2 :

Acquisition des données suivi du niveau d'eau (Wetter Level) :

- Il faut prendre en compte les facteurs environnementaux tels que la température de l'eau, les précipitations récentes et le niveau d'eau.

- Etudier les variations du niveau d'eau au fil du temps, en tenant compte des saisons et des événements météorologiques (T de la nappe et la pluviométrie) : analyse temporelle.

- visualisation graphique.

Ceci aidera à comprendre l'état hydrique du sol, la réserve utilise en eau du sol pour la gestion de l'eau ou la santé des plantes.
# 1. Etude et orientation des antennes relais sur Cestas Hermitage INRAe pour faciliter le choix du fournisseur et pour maximiser la transmission 4G :

## 1.1 Orientations des émissions des antennes relais

Pensez à regardez l'orientation des antennes relais des fournisseurs :

Utilisation du site suivant pour faire l'état des lieux de la transmission 4G :

https://www.cartoradio.fr/

<figure><img src="image_2.png" /><figcaption>Figure 1. Antenne relais du site Cestas Hermitage INRAe.</figcaption></figure>

Regardez les fréquences d'émissions des antennes relais en fonction du fournisseur et de l'orientation :
<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>**Figure 2.** Les fréquences des fournisseurs et orientations des antennes.</figcaption></figure>

## 1.2 Les cartes sim et ref

Utilisation de cartes SIM IOT de chez AIRMOB en 10G. On passera par chez SFR. On peut choisir d'autres fournisseurs.

## 1.3 Les antennes d'émission 4G pour ECOLOGGING

Model Number: 4G-ANT-SV06

PRODUCT SPECIFICATION

### I. Main features

*Electrical

<table><thead><tr><td>No.</td><td>Item</td><td>Specifications</td></tr></thead><tbody><tr><td>1</td><td>Frequency (MHz)</td><td>680-960/1710-2700</td></tr><tr><td>2</td><td>Gain (Zenith)</td><td>5dBi</td></tr><tr><td>3</td><td>V.S.W.R</td><td>&lt;2</td></tr><tr><td>4</td><td>Impedance</td><td>50Ω</td></tr><tr><td>5</td><td>Max Input Power</td><td>5W</td></tr><tr><td>6</td><td>Lightning protection</td><td>DC ground</td></tr><tr><td>7</td><td>Polarization</td><td>V</td></tr></tbody></table>

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>**Figure 3.** Caractéristiques techniques des antennes 4G pour ECOLOGGING.</figcaption></figure>
## 2. Descriptif de l'équipement d'acquisition :

Le niveau d'eau, on utilise le kit0139 qui est un capteur qui mesure le niveau d'eau par pression :

<figure><img src="image_5.png" /><figcaption>**Figure 4.** Le kit0139 capteur de niveau d'eau par pression.</figcaption></figure>

<table><caption>**Tableau 1.** 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>

Pour augmenter les performances du piézomètre KIT0139, il le coupler aux composants électroniques suivants :

<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>**Figure 5.** ADC16bits et résistance de précision.</figcaption></figure>

Ces deux composants électroniques permettent d'augmenter la précision du piézomètre.
## Le pluviomètre (quantité 1) :

<table><tr><td>Nom</td><td>LEXCA001</td></tr><tr><td>Marque</td><td>LEXTRONIC</td></tr><tr><td>Prix Ht en €</td><td>16,5</td></tr><tr><td>Unité</td><td>mm</td></tr><tr><td>Résolution</td><td>0,11mm/bascule</td></tr><tr><td>Programmation</td><td>Arduino</td></tr><tr><td>type de signal</td><td>Digital</td></tr></table>

<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>**Figure 6.** Caractéristiques techniques du pluviomètre LEXCA001.</figcaption></figure>

Les capteurs de Température DS18B20 fabriqué en acier inoxidable pour mesurer la température de l'eau:

<table><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>

<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>**Figure 7.** Caractéristiques techniques du DS18B20 capteur de température pour le sol.</figcaption></figure>

Il faut étanchéifier le câble du DS18B20 car il est trop court :

Etanchéité du câble pour le capteur DS18B20 avec rallonge de 4m

### 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_9.png" /></figure>

<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>**Figure 8.** Etanchéité du câble pour le capteur de température.</figcaption></figure>

Microcontroleur, sauvegarde, RTC :

<figure><img src="image_11.png" /></figure>

Arduino Mega

<figure><img src="image_12.png" /></figure>

Shield Mega

<figure><img src="image_13.png" /></figure>

Horloge RTC DS3231

<figure><img src="image_14.png" /></figure>

Module microSD

<caption>**Figure 9.** Architecture du système d'acquisition.</caption>
Sim7600 pour la transmission 4G :

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 10. Le SIM7600 pour la 4G.</figcaption></figure>

L'acquisition sur le terrain sera toutes les 1minute et une moyenne à la 30min.

Nous avons choisi ce type d'acquisition pour coller le plus possible aux infrastructures de recherche (ANAee, ICOS...).

Nous aurons 2 types de fichiers sauvegardés et ils seront en .csv

<table><caption>Figure 11. Présentation des fichiers csv.</caption><thead><tr><th>Date et heure</th><th>Volt</th><th>Col en mm</th><th>Depth en mr</th><th>Teau en Â°C</th><th></th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td>30/06/2025 06:31</td><td>1.258</td><td>322.422</td><td>-3143.58</td><td>24.00</td><td></td><td></td></tr><tr><td>30/06/2025 06:32</td><td>1.259</td><td>323.828</td><td>-3142.17</td><td>24.00</td><td></td><td></td></tr><tr><td>30/06/2025 06:33</td><td>1.259</td><td>323.594</td><td>-3142.41</td><td>24.06</td><td></td><td></td></tr><tr><td>30/06/2025 06:34</td><td>1.258</td><td>322.656</td><td>-3143.34</td><td>24.00</td><td></td><td></td></tr><tr><td>30/06/2025 06:35</td><td>1.258</td><td>322.656</td><td>-3143.34</td><td>24.00</td><td></td><td></td></tr><tr><td>30/06/2025 06:36</td><td>1.258</td><td>322.891</td><td>-3143.11</td><td>24.00</td><td></td><td></td></tr><tr><td>30/06/2025 06:37</td><td>1.259</td><td>323.594</td><td>-3142.41</td><td>24.00</td><td></td><td></td></tr></tbody></table><table><thead><tr><th>Date et heure</th><th>MoyVolt</th><th>MoyCol_mm</th><th>MoyDepth_mm</th><th>CumulPluieH en mm</th><th>MoyTeau en Â°C</th><th>CumulPluieday en mm</th></tr></thead><tbody><tr><td>30/06/2025 06:30:000.000</td><td>0.000</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 07:00:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.37</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>24.00</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 07:30:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.32</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>23.98</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 08:00:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.36</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>23.94</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 08:30:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.30</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>23.92</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 09:00:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.10</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>23.90</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 09:30:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.43</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>23.89</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 10:00:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.62</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>23.92</td><td>0.00</td></tr><tr><td>30/06/2025 10:30:001.259</td><td>1.259</td><td>-3142.27</td><td>0.00</td><td>0.00</td><td>23.93</td><td>0.00</td></tr></tbody></table>

La moyenne à la 30min sera envoyé en 4G passant par un broker MQTTs développé par Philippe, visualisation sous Node-Red, enregistrement sur PC Technique Atelier Pierre et sur le NAS de BIOGECO.

Pour la visualisation des données sous Node-Red et GRAFANA voir ci-après :
<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>**Figure 12.** Chaine complète d'acquisition.</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>**Figure 13.** Programme sous Node-Red WL Cestas Hermitage INRAE.</figcaption></figure>

Watter Level en mm

<figure><img src="image_18.png" /></figure>

Cumul de Pluie en mm/heure

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

Temperature nappe phreatique °C

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

Heure UTC

UTC CESTAS
REINFFORCE II
2025-06-30
09:30:00

Time Station

Time Station
REINFFORCE II
2025/06/30
09:30:00

Time_ZONE CESTAS

TimeZone Cestas REINFFORCE II 0

<caption>**Figure 14.** Visualisation sous Node-Red WL Cestas Hermitage INRAE.</caption>
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>**Figure 15.** Visualisation sous Grafana WL Cestas Hermitage INRAE.</figcaption></figure>

Avant déploiement, nous avons relevé la consommation électrique de l'équipement pour faire un bilan énergétique avec un module USB ref 36115 de chez Gotronic qui permet de connaitre en temps réel la tension, le courant et la consommation sur la durée. La consommation est de 5.15VDC et 0.253 au démarrage (1.304W).

Nous avons installé 2 panneaux solaires en parallèle et mis deux batteries à décharge lente de 12VDC et 12Ah (donnera une alimentation en12VDC et 24Ah) dans le but d'être autonome le plus possible.
L'avantage du câblage en parallèle, c'est que l'équipement peut toujours fonctionner sur une batterie et un panneau solaire en cas de détérioration d'un élément solaire ou batterie.

<figure><img src="image_22.png" /><figcaption>**Figure 16.** Schéma électrique de l'alimentation en autonomie.</figcaption></figure>

De plus nous avons réalisé un test d'autonomie pure pour connaitre le temps d'acquisition de la station sans recharge solaire : 200 heures.

En fonction du déploiement, nous avons eu l'occasion de déployer cet équipement avec une source d'énergie à côté.

<figure><img src="image_23.png" /><figcaption>**Figure 17.** Schéma électrique de l'alimentation avec source d'énergie à proximité et secouru.</figcaption></figure>

Avec ce câblage électrique nous avons la possibilité d'avoir un secouru. C'est-à-dire que, en cas de panne sur secteur électrique (EDF) la station peut tenir en autonomie pure 4 jours, jusqu'à ce que l'électricité soit remise.
### 3. Photo de l'équipement :

<figure><img src="image_24.png" /><figcaption>**Figure 18.** Visualisation de l'équipement en Atelier à déployer avec alimentation source d'énergie à proximité (Figure 17).</figcaption></figure>

<figure><img src="image_25.png" /><figcaption>**Figure 19.** Visualisation de l'équipement en Atelier à déployer avec alimentation source d'énergie autonome (Figure 16).</figcaption></figure>
Le boitier pour la batterie est IP68 acheté chez RS ref 287-8296.

Nous avons mis en place un Godet pour le pluviomètre avec des anti perchoir d'oiseau dans le but d'éviter toute perturbation (vibration) et donc comptage inapproprié.

<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>**Figure 20.** Le pluviomètre et son Godet.</figcaption></figure>

Au fond du Godet, on ajoute une grille pour éviter qu'il ne se bouche.

# 4. Qualification du piézomètre en atelier et du capteur de température :

## 4.1. Capteur de température DS18B20 en °C

Pour cette étude, nous avons comparé le capteur DS18B20 à un capteur de référence en température immergé de chez CAMPBELL SCIENTIFIC CS451.

Nous avons fait varier à plusieurs reprises la température de l'eau.

<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>**Figure 21.** 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 ±1σ= 0,75°C.

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

## 4.2. Capteur de niveau d'eau en mm

Pour cette étude, nous avons comparé le capteur de niveau d'eau KIT0139 à un ruban mètre qui est installé dans une cuve.

Nous avons fait varier la hauteur dans le but de vérifier le bon fonctionnement du KIT0139 et de l'étalonner.

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>Figure 22. Etalonnage du capteur de niveau d'eau.</figcaption></figure>
Boite à moustaches KIT0139 evolution du niveau d'eau et verification avec un ruban mètre

<figure><img src="image_29.png" /><figcaption>**Figure 23.** Evolution du niveau d'eau et comparatif KIT0139 à un mètre ruban.</figcaption></figure>

Le KIT0139 est stable au cours du temps.

5. Photo installation sur site Cestas Hermitage INRAe :

Voici ci-dessous le schéma d'installation de l'expérimentation pour le suivi de la nappe phréatique.

<figure><img src="image_30.png" /><figcaption>**Figure 24.** Schéma d'installation des capteurs.</figcaption></figure>

Lorsque le système est installé, nous contrôlons le niveau d'eau du forage et celui
obtenu sur le monitoring de la station instrumentée avec une sonde de niveau d'eau
de contrôle (voir photo ci-dessous).
<figure><img src="image_31.png" /><figcaption>**Figure 25.** Photo de la sonde corail.</figcaption></figure>

Si besoin nous allons réajuster la du piézomètre.

Dès lors que le système est déployé, nous vous conseillons de temps à autres d'aller vérifier le niveau d'eau et de réajuster ci-besoin.