Smart Gardens : des capteurs pour démontrer l’impact de la végétalisation sur la température
Ada Diaconescu et Laurent Pautet, enseignants-chercheurs à Télécom Paris, février 2023.
Mots-clés : énergie, optimisation, objets connectés, greenIT
La fraîcheur du Parc Montsouris à Paris se ressent à 200 m de hauteur ! C’est ce constat qui inspire le projet Smart Gardens : démontrer les avantages de la végétalisation sur la température et l’humidité en milieu urbain, grâce à des capteurs et une gestion optimisée de l’énergie.
Smart Gardens est le démonstrateur (« living lab ») situé à Télécom Paris/Télécom SudParis, à Palaiseau, du centre interdisciplinaire E4C (Energy For Climate) de l’Institut Polytechnique de Paris. Il vise à démontrer le rôle majeur de la végétalisation des milieux urbains par des jardins au sein des bâtiments : rétention de la chaleur en hiver, de la fraîcheur en été, économie de l’énergie et de l’eau, amélioration de la qualité de l’air, pollinisation des massifs et des jardins…
Démontrer, optimiser, économiser
Le centre interdisciplinaire E4C (Energy For Climate) d’IP Paris vise à aborder la complexité systémique de la transition énergétique. Son directeur est le climatologue Philippe Drobinski, CNRS et professeur à l’École polytechnique.
Smart Gardens, démonstrateur d’E4C à Télécom Paris/Télécom SudParis, a pour objectifs :
- de végétaliser des espaces urbains (notamment des jardins),
- de maximiser le service environnemental souhaité (fraîcheur en été, chaleur en hiver, qualité de l’air, purification de l’eau, préservation de la flore et la faune…),
- en minimisant le coût environnemental (économie de l’énergie, préservation de l’eau, minimisation du coût carbone…).
La surveillance et la gestion de l’écosystème sont optimisées à l’aide d’objets connectés (SmartHomes ou système de surveillance de maison). C’est aussi le cas de la gestion de l’arrosage (ni trop, ni trop peu) qui permet d’économiser les ressources en énergie, en eau…. Cela permet de protéger les écosystèmes des activités humaines nuisibles, des maladies et des insectes ravageurs.
Des panneaux photovoltaïques situés dans un jardin au milieu de bâtiments permettent l’optimisation de la consommation d’énergie des calculs ou des communications en fonction de la production d’énergie solaire. Ainsi, les objets connectés sont rendus plus efficaces grâce à une récolte d’énergie au plus près des besoins.
Le coût des matériaux (exemples : métaux rares) et de l’empreinte carbone de l’infrastructure technique (exemples : capteurs, réseau, ressources de calcul, stockage) seront également pris en compte afin d’évaluer la viabilité et l’intérêt de chaque application Smart Gardens.
Le Parc Montsouris, source de fraîcheur… et d’inspiration
Smart Gardens est une plate-forme d’expérimentation inspirée de celle installée dans le parc Montsouris (Paris 13e, à proximité des anciens locaux de Télécom Paris). Des capteurs de température et d’hygrométrie sont accrochés aux bâtiments longeant le parc et à des ballons en altitude. Les données collectées permettent d’évaluer l’impact du parc sur l’environnement. La fraîcheur de Montsouris se ressent ainsi à 200m de hauteur ! Ces données à long terme permettent notamment d’évaluer l’impact des mesures environnementales prises dans le parc.
Le bâtiment de Télécom Paris, terrain d’expérimentation de végétalisation urbaine
Concrètement, ce sont les patios (lieux de verdure clos à ciel ouvert) du bâtiment récent de Télécom Paris/Télécom SudParis à Palaiseau qui servent, dans un premier temps, à l’expérimentation Smart Gardens : un avec cinq-six arbres et une promenade, un avec un composteur et la possibilité d’y créer un jardin potager, et un avec cinq-six arbres et un city-stade.
Dix-sept capteurs par patio sont installés afin de surveiller la température et l’hygrométrie (sur le même principe qu’au parc Montsouris). Les données sont récoltées sur un an afin de faire démarrer le projet. La période actuelle est consacrée au choix des capteurs et du réseau à basse consommation nécessaire à la diffusion et la collecte des données obtenues. Celles-ci seront archivées sur le serveur E4C datahub en données ouvertes.
Les objets connectés autonomes au service de l’efficacité énergétique
Dans le cadre de Smart Gardens, les objets connectés sont rendus responsables de leur gestion en vue d’une meilleure efficacité énergétique. Les objectifs sont une très faible consommation, une collecte efficace et un service optimal.
Ainsi, les calculs (traitement des images) ou les communications, qui sont des opérations très coûteuses, peuvent être programmées lors des périodes d’ensoleillement ou de recharge maximum de batterie.
Ces tâches peuvent être programmées (avancées ou retardées) pour faciliter la récolte d’énergie (energy harvesting) et gérer l’état de la batterie tout en prenant en compte la criticité des données et les prévisions météorologiques.
Il faut tenir compte du fait que les patios, entourés de murs, sont naturellement peu ensoleillés côté intérieur (notamment sud parce qu’ils sont cachés par rapport au soleil, mais relativement plus côté intérieur nord car ils sont temporairement face au soleil). Ils récoltent ainsi moins d’énergie solaire qu’en plein champ.
Les objets connectés, au jardin comme à la maison
Il s’agit de reprendre les mêmes usages que les SmartHomes ou systèmes d’alarme. Par analogie, ces objets connectés servent de capteurs de surveillance de la température, de l’hygrométrie, ainsi que de surveillance (en 3D) de la végétation ou de la faune. Ils assurent aussi la fonction de centre de traitement automatique ou manuel afin de gérer le manque d’eau, déceler la présence de nuisibles ou bien de maladies ou encore l’installation d’un nid. Les usages peuvent être étendus en cas de jardin potager et/ou de serre. Cela peut être mis en place avec un réseau adéquat, c’est-à-dire frugal, pas nécessairement WiFi.
Les participants
Smart Gardens est développé par les équipes :
- Systèmes embarqués critiques autonomes (ACES) et Secure and Safe Hardware (SSH) de Télécom Paris, l’équipe Algorithms, Components, ModEls and Services for distributed computing (ACMES, Télécom SudParis) pour les aspects systèmes embarqués ;
- le Laboratoire de Météorologie Dynamique (LMD, CNRS, ENS, École polytechnique, Sorbonne Université) pour les aspects climatiques.
- Il pourrait inclure par la suite l’équipe Numérique, Organisation et Société (NOS) de Télécom Paris, COSYNUS(Polytechnique) et l’Unité d’Informatique et d’Ingénierie des Systèmes (U2IS, ENSTA Paris).
Les enseignants-chercheurs de Télécom Paris impliqués sont Ada Diaconescu, Tarik Graba, Philippe Martins, Laurent Pautet et Samuel Tardieu.
En outre, indiquent Ada et Laurent, « Smart Gardens intéresse fortement un grand mécène, diplômé de Télécom Paris. Le démarrage du projet a été anticipé dès décembre 2022 grâce à E4C qui lui fait bénéficier d’un ingénieur de recherche et de matériels (50 capteurs). Ce type de financement lui octroie une plus grande latitude, une plus grande liberté d’action (par rapport à un financement d’entreprise) avant tout au service de la recherche et de la connaissance. »
Quelles perspectives ?
SmartGardens pourrait être associé avec la ferme AgriPV, un démonstrateur E4C, situé à Polytechnique. Par ailleurs, une extension pourrait consister en un « SmartVegetableGarden », un potager connecté, notamment dans le patio pourvu d’un composteur.
Des parcs urbains de plus grande taille pourraient bénéficier de ce système de surveillance et de gestion mais aussi d’autres services comme le dénombrement de la faune.
De manière générale, Smart Gardens entend contribuer à l’acceptabilité et démontrer l’apport des objets connectés en milieu naturel.
