Microécosystème aquaponique automatisé (MAA) – 3^e partie (conclusion)

Objectifs spécifiques réalisés en 2020-2021

Volet biologique

Optimisation du MA

Notre système aquaponique est en constante évolution afin de répondre aux besoins pédagogiques du moment.

Augmentation du volume de l’aquarium

L’augmentation du volume de l’aquarium utilisé permet d’augmenter le nombre de poissons sans compromettre la qualité de leur environnement, notamment en maintenant des niveaux de nitrate acceptables pour les organismes aquatiques. De plus, cela permet d’utiliser un seul aquarium pour irriguer les 2 bacs de culture végétale.

Deux avantages en résultent :

1. élimination d’une quantité supérieure de nitrate de l’eau par un plus grand nombre de plants qui l’absorbent
2. élimination d’une variable lors de la réalisation d’expériences scientifiques authentiques

Augmentation de la hauteur du MA

L’augmentation de la hauteur du MA permet aux végétaux d’atteindre la phase de fructification à l’intérieur du système. Évidemment, la hauteur des plants varie en fonction de l’espèce végétale utilisée. Puisque notre système semble être particulièrement efficace avec des plants de tomates, la hauteur du système représente un facteur non négligeable.

La température et la lumière

La température et la lumière sont 2 facteurs importants du système qui influencent la croissance, le développement et la productivité des végétaux.

Lors de la conception initiale du système, l’un des objectifs était de pouvoir utiliser le système à la température de la pièce, réduisant ainsi la consommation d’énergie. Le choix de plants de tomates était donc intéressant, puisque la température de croissance visée se situe entre 21°C et 25°C.

Nos observations, étalées sur la durée du projet, nous permettent d’affirmer que la température de la pièce variait généralement entre 18°C et 23°C, avec une valeur moyenne oscillant autour de 21°C, mais pouvait atteindre les 30°C lors de la saison estivale.

Nous avons également observé que la température à l’intérieur des espaces de croissance correspondait sensiblement à celle de la pièce. Puisque le SA#1 et le SA#2 sont isolés, cela nous permet de déduire que les lumières de croissance choisies ont eu peu ou pas d’impact sur la température, tel que souhaité. La bâche blanche permet aussi de :

• réduire les fluctuations causées par des changements soudains et ponctuels de la température de la pièce
• réduire la vaporisation de l’eau
• récupérer un maximum de la lumière nécessaire aux végétaux

La mobilité du système de suspension de la lumière permet d’ajuster la hauteur de l’éclairage en fonction de la croissance des plants. Ainsi, il était possible de conserver une distance semblable entre la lampe et la partie apicale du plant, à travers le temps.

Le choix de l’espèce aquatique

Le choix de l’espèce aquatique permet d’optimiser le système en fonction du type d’utilisation prévue. Dans un contexte pédagogique, le choix d’une espèce non comestible et résistante aux fluctuations du milieu facilite le bon fonctionnement du MA. L’utilisation de menés de rivière permet de conserver une petite population de poissons tout en maintenant une production de nitrate intéressante et sécuritaire.

Le régime alimentaire des poissons, les carences nutritionnelles végétales et la densité racinaire

Le régime alimentaire des poissons, les carences nutritionnelles végétales et la densité racinaire une fois les plants rendus à maturité ont également attiré notre attention.
Ces facteurs pourraient être étudiés de plus près afin de poursuivre l’optimisation du MA.

Applications pédagogiques

Une nouvelle expérience a été conçue et proposée à 2 groupes du cours Biologie I du programme Sciences, lettres et arts à la session d’automne 2021. Celle-ci visait à évaluer si la qualité de la lumière a une influence sur la croissance primaire des plants de tomates et sur la coloration de leur feuillage. Des liens directs pouvaient alors être faits avec les notions enseignées dans le cours, comme la photosynthèse.

Pour ce faire, le MA a été équipé de 2 types de lampes différents:

• le SA#1 était muni de 2 lampes à DEL pour plante Feit, spectre bleu, 2 pi [en anglais]
• le SA#2 était muni de 2 lampes à DEL pour plantes Feit, spectre rouge, 2 pi [en anglais]

Les étudiants et étudiantes ont également répété l’expérience visant à évaluer la capacité de Cabomba sp. à décontaminer l’eau de ses nitrates, telle que réalisée à l’hiver 2020, afin de valider les résultats obtenus. Une technique de quantification des nitrates par spectrophotométrie à partir des résultats obtenus à l’aide de l’ensemble API^® Freshwater Master Test Kit [en anglais] a été développée et utilisée à cette fin.

Les étudiants devaient, tout au long de l’expérience, noter l’ensemble de leurs observations et se questionner afin de proposer une nouvelle expérience dans la conclusion de leur rapport de laboratoire. Ainsi, ils étaient placés en continu dans un mode d’observation actif, ce qui leur permettait de réaliser de façon authentique les 1^res étapes de la démarche scientifique.

Soulignons enfin que la participation de plusieurs groupes à une expérience, qui se déroule toute la session et qui utilise un seul MA, permet de maintenir une diversité d’activités de laboratoire dans le cours. En effet, la collecte de données peut se faire par les groupes en alternance et les résultats peuvent être partagés sur une plateforme commune, comme Moodle ou Teams. Les étudiants deviennent moins préoccupés par les résultats qu’ils obtiennent et différentes équipes peuvent répéter la même expérience, ce qui permet d’évaluer la fiabilité des résultats obtenus. Ainsi, l’enseignant évite que la nature des activités de laboratoire ne se résume qu’à un seul laboratoire.

Volet informatique

Optimisation du MA

Le système existant a pu être optimisé, non pas par son remplacement, mais bien par l’ajout d’un Raspberry Pi (RPI4). Ce mini-ordinateur embarqué est un choix technologique idéal alliant :

• faible coût
• taille et poids réduits
• multiples sorties pouvant être couplées avec différents modules de capteurs

De plus, le RPI4 est doté d’une sortie pour le clavier et la souris optique officiels du Raspberry, en plus d’être équipé de périphériques adaptés de haute performance dont un clavier à 3 ports USB supplémentaires, libérant les ports du RPI4 pour d’autres utilisations.

Notons que le RPI4 permet une connexion au wifi simplifiée. Le RPI4 peut utiliser sa propre mémoire pour entreposer les données, le serveur web et toute l’application web d’interfaçage. Il peut communiquer directement avec l’ESP (Encapsulating Security Payload) et récupérer les informations transmises par les capteurs. Le système devient ainsi complètement autonome et ne nécessite aucun serveur externe, à moins que l’on veuille archiver les données ailleurs.

L’utilisation de cette nouvelle technologie a également permis aux étudiants et étudiantes de se familiariser avec le langage Python, un langage :

• pour des non-informaticiens (compréhension du code sans nécessairement faire de la programmation)
• libre
• puissant
• riche en librairies scientifiques

Un capteur de lumière de type VEML7700 de faible incertitude et utilisant justement une librairie Python a été ajouté au système du MA. Cela a permis un affichage des valeurs en lux en continu sur une page web accessible via une adresse IP interne.

L’ajout d’une base de données MariaDB [en anglais] à même le RPI4 et sa programmation permettent de stocker et d’afficher les données en mode réel. Le choix de MariaDB est dû à son autonomie et à sa compatibilité avec l’ancienne base de données implémentée avec MySQL, mais aussi parce qu’elle est plus légère et plus axée sur le développement ouvert et pour une utilisation en production, si besoin est.

Automatisation du MA

Le niveau d’eau du MA a été identifié comme étant le paramètre le plus important à contrôler de façon automatique.

• La quantité d’eau présente dans le MA influence la qualité de l’environnement des organismes aquatiques en modifiant la concentration des nitrates présents dans l’eau.
• Le débit des pompes qui alimentent le SA#1 et le SA#2 est influencé par la quantité d’eau dans l’aquarium. Une réduction du débit d’eau réduit la fréquence des inondations et des drainages successifs, diminuant la qualité de l’oxygénation et le mouvement des nutriments dans le système.

Si l’on souhaite que le MA soit autonome pour une période prolongée (par exemple lors de la période estivale), l’automatisation du maintien du niveau d’eau devient incontournable, puisque l’aquarium perd approximativement 10 litres d’eau par semaine conséquemment à la vaporisation ou à la consommation des végétaux.

L’installation d’un système de capteurs de niveau d’eau représente un ajout important au MA, puisqu’elle permet l’automatisation du maintien du niveau d’eau dans l’aquarium. Cela diminue le temps de surveillance et le nombre d’interventions d’ajustement manuelles.

Pour remplacer le capteur eTape Liquid Level sensor qui ne faisait pas l’affaire, nous avons opté pour un capteur de niveau d’eau à ultrasons (modèle HC-SR04). Ce capteur est peu coûteux. Il est placé au-dessus de l’aquarium. Son fonctionnement est simple. Le capteur est relié à un moteur qui se déclenche lorsque le niveau d’eau de l’aquarium n’est pas situé entre les seuils minimal et maximal établis. Il va alors soit ouvrir l’entrée d’eau, soit la fermer. Le tout est contrôlé par le RPI4.

Les données sur le niveau d’eau sont envoyées automatiquement dans un fichier «.py» selon un délai fixé dans une constante « sendDelay » qui détermine les intervalles d’envoi des données en secondes.

D’autres constantes ont été programmées en Python:

1. pour fixer le délai minimal entre 2 cycles de remplissage
2. pour déterminer les niveaux minimal et maximal d’eau, en millimètres (mm), associés à l’activation du cycle de remplissage
3. pour déterminer les dimensions de l’aquarium à partir desquelles les niveaux d’eau requis sont fixés

Nouveau modèle implémenté

Des mesures de sécurité ont été ajoutées pour éviter un manque d’eau dans l’aquarium ou un débordement :

1. Une lecture insensée du capteur de niveau d’eau désactive automatiquement le système d’ajustement d’eau. Aussi, la commande pour ajuster le niveau d’eau fait une estimation du temps requis pour rééquilibrer le niveau;
2. Un délai d’activation entre les appels de commande pour ajuster le niveau d’eau a été programmé.

Applications pédagogiques

Le MAA a permis le développement de nouvelles activités pédagogiques, ainsi que le développement de compétences permettant l’amélioration et l’exploitation d’une base de données et d’un site web existants.

Les étudiants impliqués ont pu développer des compétences

• en objets connectés et leur programmation en Python via un Raspberry Pi
• en bases de données
• en développement de sites web
• en déploiement d’applications client/serveur
• dans un contexte de travail en équipe et de reprise d’un projet entamé par d’autres
• dans un mode agile sur un prototype évolutif et avec des équipes changeantes et de différents profils

Quelques défis informatiques ont été rencontrés au cours du projet. Certains n’ont malheureusement pas pu être relevés dans l’immédiat.

En raison d’enjeux de sécurité, il n’est pas possible de publier le site web à l’externe. Pour le moment, l’accès aux données se fait seulement de l’interne via une adresse IP du collège.

Certains capteurs, comme ceux utilisés pour la détection des nitrates et des nitrites, ont été écartés de notre projet à cause de :

• leur coût
• leur manque de robustesse
• l’entretien qu’ils exigent

L’ajustement du pH du milieu n’a pas été automatisé. À ce jour, les valeurs détectées sont seulement lues et enregistrées dans la base de données. D’un point de vue biologique, un changement de pH devrait être considéré comme un indicateur d’un problème existant dans le système (de là l’importance de collecter ces données). Ajuster automatiquement le pH du MA ne règle pas le problème et peut même le camoufler, ce qui n’est pas souhaitable. Il serait plus pertinent de programmer un système d’alarme qui permettrait à l’utilisateur du MAA d’intervenir rapidement afin de mieux contrôler les éléments causant le changement de pH.

Les mesures mises en place en raison du contexte sanitaire lié à la COVID-19 ont représenté une entrave majeure à la réalisation du projet, notamment au niveau de l’automatisation du système. Une concertation régulière entre les intervenants et une accessibilité simultanée au MA étaient nécessaires pour réaliser différents essais et ajustements. Or, pour la sécurité de tous, un seul intervenant pouvait être présent à la fois. Cela a rendu le travail sur le MAA et la coordination d’équipes étudiantes très difficile, voire impossible à certains moments.

Retour d’expérience

Le projet comportait une composante qui visait à partager les résultats obtenus et ses retombées.

Éductive a permis la diffusion du projet et de ses avancées à travers le réseau collégial et plus encore.

Éductive a :

• offert une visibilité au projet
• permis aux enseignants intéressés de reproduire le MAA en s’appuyant sur les articles publiés
• inspiré potentiellement d’autres enseignants et enseignantes à mettre en place des projets novateurs
• fait connaître le programme NovaScience
• mis en lumière l’accessibilité d’un partenariat avec Éductive, une référence pour l’utilisation des technologies en enseignement et en apprentissage au collégial.

Faits saillants

Grâce aux textes publiés sur Éductive, Nutrition sans frontière (NSF), un organisme à but non lucratif, a souhaité explorer avec nous la possibilité de développer un partenariat. Nous pourrions, par exemple, partager certaines compétences acquises à travers notre projet avec des groupes de personnes africaines. Cet OBNL tente actuellement d’implanter l’autosuffisance alimentaire dans quelques pays de l’Afrique, notamment en y installant un système aquaponique.

Pouvoir présenter, le 10 juin dernier, le projet à des acteurs du réseau collégial lors du congrès annuel de l’Association québécoise de pédagogique collégiale (AQPC) a été une opportunité importante. De ce congrès est née une éventuelle collaboration avec un autre collège de la région de Montréal qui n’attend qu’une amélioration du contexte sanitaire pour se développer.

En suscitant l’intérêt et l’adhésion progressive des enseignants du Collège de Bois-de-Boulogne, le MAA a commencé à être utilisé par ceux-ci dans des cours de biologie et d’informatique. Offrir un soutien et un accompagnement représente un facteur déterminant de l’adhésion. Proposer de nouveaux outils et de nouvelles approches amène également de nombreuses réflexions pédagogiques chez et entre les enseignants, contribuant inévitablement à enrichir la formation des étudiants et des étudiantes.

Plusieurs programmes ont été impliqués et ont collaboré ensemble pour la conception, l’exploitation et l’amélioration du système. C’est une première dans le milieu collégial que des équipes des programmes Sciences de la nature, Sciences informatiques et mathématiques, Sciences, lettres et arts, Techniques de l’informatique et Spécialiste en Internet des objets contribuent simultanément à la réalisation d’un même projet innovant. Cette collaboration interprogramme toujours active représente un héritage qui s’enrichira à travers les développements futurs du projet.

En mettant en lumière la valeur de l’interdisciplinarité, d’autres initiatives enseignantes ont vu le jour. Un groupe d’échange interdisciplinaire en sciences s’est créé. Il visera à proposer aux enseignants et enseignantes des programmes préuniversitaires des activités qui pourront les amener à:

• échanger sur leurs cours
• identifier des liens interdisciplinaires
• favoriser l’émergence de nouveaux projets interdisciplinaires qui enrichiraient inévitablement la formation et les expériences pédagogiques des étudiantes et des étudiants

Même si le projet se termine officiellement, une intention forte de le poursuivre, de le bonifier et d’en assurer sa pérennité est présente. Maintenant que l’expertise est bien là, le MAA servira d’outil pédagogique permettant d’enrichir le volet pratique de nos formations, mais pourra aussi être utilisé comme moyens de sensibiliser à l’écocitoyenneté lors d’activités parascolaires et périscolaires. De plus, ce projet pourra offrir des opportunités de stage ou de recherche pour les étudiants et les étudiantes.

En conclusion

Le projet Microécosystème aquaponique automatisé a permis le développement et l’implantation d’un nouvel outil pédagogique qui permet d’offrir aux étudiantes et aux étudiants des expériences scientifiques et techniques authentiques qui nécessitent l’utilisation de la démarche scientifique. Cela permet d’augmenter l’engagement de l’étudiant dans la réalisation d’un travail qui contribue à l’atteinte de la compétence d’un cours. Cet engagement pourrait être attribuable au fait que l’étudiant est impliqué dans la conception et la réalisation d’une expérience qui se déroule sur une période prolongée.

Ce projet était non seulement stimulant et enrichissant pour l’ensemble des enseignants et étudiants impliqués, tant en biologie qu’en informatique, mais représente aujourd’hui une amorce au développement de collaborations entre disciplines, programmes, établissements et organismes externes. Cette expérience interdisciplinaire fort enrichissante sur plusieurs plans ne s’arrête donc pas avec la fin de la subvention de NovaScience.