CULTURE SOUS SERRE • MICROCLIMAT DPV • FERTIRRIGATION DE PRÉCISION

Ingénierie de l'Irrigation Sous Serre : Déficit DPV, Rayonnement Solaire et Dosages

En environnement sous abri, la pluie naturelle n'atteint jamais la zone racinaire. Présentation du modèle autonome de balance transpiratoire basé sur le Déficit de Pression de Vapeur (DPV), le rayonnement solaire global et la fertirrigation proportionnelle A+B exécutée sur microcontrôleur ESP32-S3.

Les serres multichapelles et tunnels maraîchers constituent des écosystèmes entièrement régulés (Protected Cropping). Y appliquer des modèles agrométéorologiques standards de plein champ entraîne des dysfonctionnements culturaux majeurs. Les précipitations extérieures n'hydratent pas les cultures sous couverture ; le verrouillage automatique par la pluie doit donc être désactivé et l'apport hydrique et nutritif exclusivement asservi au rayonnement solaire et à la dynamique transpiratoire foliaire.

Principe d'inhibition du verrou de pluie :

Dans le profil serre du contrôleur Waveshare 6CH, l'algorithme force la pluie extérieure efficace à zéro ($ P_{\text{eff}} = 0 $). Lors d'une averse externe, l'évapotranspiration sous serre se poursuit sans interruption sous l'action du rayonnement incident et de la tension de vapeur de l'air.

1. Déficit de Pression de Vapeur (DPV / VPD) et Équation de Tetens

L'humidité relative ($ HR $) ne rend pas compte de la contrainte physique réelle exercée sur le végétal. La grandeur physiologique déterminante est le DPV (Déficit de Pression de Vapeur), qui exprime la différence entre la pression de vapeur saturante à l'intérieur de la cavité sous-stomatique ($ e_s $) et la pression de vapeur réelle de l'air ambiant ($ e_a $) :

$$\text{DPV} = e_s - e_a \quad [\text{kPa}]$$

La pression de vapeur saturante $ e_s $ à une température donnée $ T $ [°C] est résolue sur l'ESP32-S3 via la formule de Tetens :

$$e_s = 0.61078 \times \exp\left( \frac{17.27 \times T}{T + 237.3} \right) \quad [\text{kPa}]$$

La pression de vapeur réelle de l'air $ e_a $ est calculée directement à partir de l'humidité relative mesurée $ HR $ [%] :

$$e_a = e_s \times \left( \frac{HR}{100} \right) \quad [\text{kPa}]$$

Plages agronomiques de régulation du DPV :

$ \text{DPV} < 0.4\text{ kPa} $ – Ambiance saturée d'humidité. La transpiration et le flux calcique s'arrêtent ; risque pathogène maximal (développement aigu de Botrytis cinerea).
$ 0.8\text{ kPa} \le \text{DPV} \le 1.2\text{ kPa} $ – Optimum photosynthétique. Ouverture stomatique maximale, assimilation optimale du dioxyde de carbone et transport minéral équilibré.
$ \text{DPV} > 1.6\text{ kPa} $ – Stress hydrique prononcé. La demande évaporatoire dépasse la capacité d'absorption racinaire ; les stomates se referment pour éviter le flétrissement.

2. Rayonnement Solaire Global ($ R_s $) et Coefficients d'Ombrage

En culture abritée, le moteur premier de la transpiration réside dans l'énergie radiative reçue. L'algorithme acquiert le flux solaire global de courte longueur d'onde $ R_s $ [W/m²] et applique le facteur d'atténuation lié au vitrage et aux écrans thermiques $ S_{\text{coef}} $ :

$$R_{\text{eff}} = R_s \times S_{\text{coef}} \quad [\text{W/m}^2]$$

La dose volumétrique journalière par mètre carré $ D_{\text{m2}} $ [l/m²] est modulée à partir de la consigne culturale de base par les multiplicateurs radiatifs ($ M_{\text{rad}} $) et hygrométriques ($ M_{\text{dpv}} $) :

$$D_{\text{m2}} = D_{\text{base}} \times M_{\text{rad}} \times M_{\text{dpv}} \quad [\text{l/m}^2]$$

Le volume d'arrosage total $ V_{\text{eau}} $ [litres] requis pour un compartiment de serre de surface $ A $ [m²] est alors donné par :

$$V_{\text{eau}} = D_{\text{m2}} \times A \quad [\text{litres}]$$

3. Automatisation de la Fertirrigation et Pilotage Waveshare 6CH

Le microcontrôleur assure le pilotage synchrone de l'électrovanne d'apport d'eau principale (K1) et de la pompe doseuse de solution concentrée A+B (K2)[cite: 6]. Les durées d'ouverture sont calculées en regard des caractéristiques hydrauliques de l'installation :

$$t_{\text{K1 (eau)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{eau}}}{Q_{\text{goutte}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{secondes}]$$

Le volume de fertilisant injecté dépend du taux de dilution cible $ F_{\text{pct}} $ (généralement compris entre 0,7 % et 1,5 % volumique) :

$$t_{\text{K2 (fertilisant)}} = \left\lfloor \frac{V_{\text{eau}} \times \left( \frac{F_{\text{pct}}}{100} \right)}{Q_{\text{fert}}} \times 3600 \right\rfloor \quad [\text{secondes}]$$

Profil Cultural	Besoin Nominal ($ D_{\text{base}} $)	Ratio Nutritif ($ F_{\text{pct}} $)	Remarques Agronomiques
Laitue (GH_CROP_LETTUCE)	2,2 l/m²	0,7 % (Faible CE : 1,1–1,4 mS/cm)	Enracinement superficiel ; très sensible à la salinité racinaire et à la brûlure des pointes (tipburn).
Gerbera (GH_CROP_GERBERA)	4,5 l/m²	1,2 % (CE moyenne : 1,5–2,0 mS/cm)	Fleurs coupées ; forte exigence en potassium et fer chélaté ; sensible à l'asphyxie racinaire au collet.
Tomate (GH_CROP_TOMATO)	5,5 l/m²	1,5 % (Forte CE : 2,2–2,8 mS/cm)	Transpiration estivale soutenue ; forte absorption potassique lors du grossissement des fruits.

4. Refroidissement Évaporatif et Décompression du DPV (Brumisation K3)

Lors des pics caniculaires estivaux, la ventilation forcée ou passive devient insuffisante, provoquant une envolée du DPV au-delà du seuil critique de 1,6 kPa. L'ESP32-S3 commute le relais K3 (Brumisation Haute Pression) dès l'atteinte des conditions thermohygrométriques limites :

$$\text{Déclenchement K3} \iff \left( T \ge 28.0^\circ\text{C} \quad \wedge \quad \text{DPV} \ge 1.60\text{ kPa} \right)$$

Les micro-gouttelettes pulvérisées s'évaporent instantanément dans l'atmosphère réchauffée, absorbant la chaleur latente de vaporisation (~2,45 MJ par kilogramme d'eau évaporée). Ce mécanisme abaisse la température sous feuillage de 3 à 6°C et rétablit une hygrométrie favorable, ramenant le DPV dans la zone de plein rendement photosynthétique.

Architecture de Déploiement : Régulation Sous Serre sur Waveshare 6CH

Exécuté dans le moteur temps réel greenhouse_irrigation.c, le pipeline de calcul garantit un asservissement déterministe directement embarqué sur microcontrôleur ESP32-S3[cite: 6] :

Autonomie Edge Totale (Sans Cloud) : Le calcul en temps réel du DPV, des volumes d'arrosage et des décomptes s'opère intégralement en SRAM locale en moins de 2 ms[cite: 1, 6].
Précision de Dosage Proportionnel : L'enclenchement synchrone de l'électrovanne K1 et de l'injecteur K2 supprime tout risque de surdosage ou d'accumulation saline nocive dans le substrat.
Sécurité par Watchdog Matériel : Chaque sortie est indexée sur un registre décrémenté par interruption matérielle à 1 Hz, assurant la coupure immédiate des vannes en cas de défaillance réseau ou applicative[cite: 6].

Architecture spécifiée et validée pour l'écosystème ProPresta IT sur contrôleur Waveshare ESP32-S3 6CH Relay[cite: 6].