Design of an integrated digital circuit for the Internet of Things (IoT) applied to agronomy

par Victor Grimblatt

Thèse de doctorat en Electronique

Sous la direction de Christophe Jego.

  • Titre traduit

    Etude et conception d'un circuit numérique dédié aux objets connectés pour des applications agricolesDigital circuit design for Internet of Things (IoT) applied to agronomy


  • Résumé

    L’agriculture joue un rôle primordial dans l’alimentation de l’être humain. Nos ancêtres ontdéveloppé diverses techniques pour améliorer le semis et la récolte afin de maximiser le fruit de la terre.L’eau est un problème pour les agriculteurs, non seulement parce qu’elle n’est pas toujours disponible(sècheresses, zones désertiques, etc.), mais aussi parce qu’il faut la transporter depuis la source jusqu’auchamp. Les civilisations ont trouvé des moyens différents pour résoudre ce problème, par exemple lesRomains avec les aqueducs et les Incas avec terrasses de semis. Aujourd´hui nous faisons face à unnouveau défi, lié au changement climatique, qui provoque des grandes sécheresses, des inondations et unavancement des zones désertiques. L’optimisation de l’utilisation de l’eau dans l’agriculture est essentiellepour subvenir aux besoins alimentaires de l’humanité. L’internet des objets (IoT) est une technologiequi peut apporter une solution. Un arrosage idéal se détermine en fonction de paramètres mesurablesin-situ (humidité, température, etc.) et de conditions prédictibles basées sur l’exploitation de donnéeshistoriques (paramètres mesurés, climat local, qualité du sol, configuration géographique). Le contrôlede l’arrosage se décide donc sur une collecte d’informations et leur traitement par une intelligence embarquéedans un système autonome. Les travaux de thèse envisagés sont la conception d’un circuit intégrénumérique qui convertit, collecte et traite les données suffisantes au contrôle d’un arrosage de champ.Ce circuit doit répondre à des contraintes de faible consommation, d’une alimentation in-situ (energyharvesting) et d’une autonomie à la prise de décision (big data et machine learning). On travaillera surl’adéquation algorithme-architecture en utilisant les outils de Synopsys pour fabriquer le circuit dans unetechnologie adéquate. Le circuit sera ensuite testé sur un site pilote. L’expérimentation aura pour butde comparer 2 jardins, un équipé du contrôle de l’arrosage et l’autre sans contrôle d’arrosage. Nous mesurerons l’apprentissage du système sur une longue durée afin de quantifier la réduction de la consommationd’eau à rendement égale


  • Résumé

    Agriculture plays a key role in humans’ nutrition. Our ancestors have developed varioustechniques to improve seedling and harvesting to maximize the fruit of their land. Water is a problemfor farmers, not only because it is not always available (droughts, desert areas, etc.), but also becauseit has to be transported from the source to the field. Civilizations have found different ways to solvethis problem, for example the Romans with the aqueducts and the Incas with terraced levels of seedlings.Nowadays, we are facing a new challenge, linked to climate change, which causes severe droughts, floodsand the progression of desert areas. Optimizing the use of water in agriculture is essential to meet thefood requirements of humankind. The Internet of Things (IoT) is a technology that can provide a solution.An ideal irrigation is determined according to in-situ parameters (humidity, temperature, etc.) andpredictable conditions based on historical data (measured parameters, local climate, soil quality, geographicalconfiguration). The control of irrigation is therefore decided on a collection of information andtheir treatment by an intelligence embedded in an autonomous system. The thesis work envisaged is thedesign of a digital integrated circuit that converts, collects and processes sufficient data to control a fieldirrigation. This circuit must respond to low power consumption constraints, in-situ energy harvesting anddecision-making autonomy (big data and machine learning). We will work on the algorithm-architectureadequacy using the Synopsys tools to fabricate the circuit in a suitable technology. The circuit will thenbe tested on an experimental site. The experiment will aim to compare 2 gardens, one equipped withcontrol of watering and the other without control of watering. We will measure system learning over along period of time to quantify the reduction in water consumption with equal yield.


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