Pluvi-Tech : Système automatisé de récupération d eau de pluie pour utilisation domestique extérieure

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1 Pluvi-Tech : Système automatisé de récupération d eau de pluie pour utilisation domestique extérieure Rapport de projet version 3 présenté à Robert Bergevin et Éric Poulin par Équipe 15 Tiger Corp matricule nom signature Julien Boudreau Jérome de Courval William Larivée-Hardy William Lauzé Charles-Olivier Mailloux Kévin Thomas Kooh Université Laval 29 mars 2013

2 Historique des versions version date description 7 février 2013 création du document février 2013 Ajout des chapitres Introduction et Description février 2013 Ajout des chapitres Besoins et objectifs et Cahier des charges mars 2013 Ajout de la section Conceptualisation et analyse de faisabilité avril 2013 Ajout des chapitres sur l étude préliminaire, le concept retenu et la conclusion

3 Table des matières Table des figures Liste des tableaux iv v 1 Introduction 1 2 Description 2 3 Besoins et objectifs Besoins Captation et stockage de l eau Système de distribution Système de traitement automatisé Objectifs Capter et stocker l eau Traiter de facon automatisé le système Distribuer de l eau recueillie aux différentes tâches Performer des installations Hiérarchisation des objectifs Cahier des charges Barèmes d évaluation des critères Réservoirs et pompes Capacité de stockage Apparence visuel et dérangement sonore Puissance de la pompe Maintenance des installations Fiabilité et sécurité du réservoir Processeur de données Vitesse de connexion Automatisme Portée des modules de mesure Serveur de base de donnée et web i

4 TABLE DES MATIÈRES ii Qualité de l interface Vitesse de transfert du serveur de données Capacité de stockage Pertes de données Protection des données Intégration visuelle Coût Coût de fabrication Coût d entretient Coût d installation Cahier des charges et maison de la qualité Cahier des charges Maison de qualité Conceptualisation et analyse de faisabilité analyse fonctionnelle Conceptualisation des solutions et analyse de faisabilité Système de stockage et de pompage de l eau Citerne souple d une capacité de 3000L et pompe dorinoxmatic Citerne eau pluviale 3000L H1940xD1700mm avec pompe kietis x1000L cuve de plastique et pompe kietis Analyse de faisabilité du système de stockage de l eau Système de serveur web Windows IIS Linux Apache Linux nginx Analyse de faisabilité du serveur web Système de traitements des données Microcontrolleur Arduino Due + capteur d humidité HS1101LF Microcontrolleur Cubieboard + microcontrolleur Arduino Micro + Capteur d humidité HH10D Mini-ordinateur Raspberry Pi Model-B + microncontrolleur Arduino Micro + capteur d humidité HS1101LF Mini-ordinateur BeagleBoard-xM + microcontrolleur Arduino Micro + Capteur d humidité HH10D + Connecteur Bluetooth HC Analyse de faisabilité du système de traitement des données Système de gestion de base de données MySQL PostgreSQL SQLite

5 TABLE DES MATIÈRES iii Oracle Database Analyse de faisabilité du système de gestion de bases de données Système de stockage des données Toshiba Canvio basics GB USB3.0 Portable hard drive HDTB103XK3AA Kingston 32GB Secure Digital High-Capacity (SDHC) Flash Card Model SD4/32GB Synology DS213 Diskless System DiskStation et Western Digital WD20EFRX 2TB IntelliPower(2x) Analyse de faisabilité du système de traitement des données 28 6 Étude préliminaire Concepts retenus et plan d étude Plan de développement Concept économique Étude du concept concept moyen de gamme Concept performant Synthèse des résultats Concept retenu Matrice de décision Analyse de la matrice de décision et prise de décision Description du concept Bibliographie 46 A Liste des sigles et acronymes 51

6 Table des figures 3.1 Organigramme hiérarchique Maison de qualité du cahier des charges Diagramme fonctionnel pour le projet Pluvi-Tech iv

7 Liste des tableaux 4.1 Apparence visuelle et dérangement sonore Maintenance des installations Fiabilité des installations Sécurité des installations Qualité de l interface Protections contre les pertes de données Protection des données Intégration visuelle Cahier des charges Critères de la faisabilité des concepts de stockage d eau Synthèse de la faisabilité des concepts de stockage et pompage de l eau Critères de la faisabilité des concepts de serveur web Synthèse de la faisabilité des concepts du serveur web Critères de la faisabilité des concepts de traitement de données Synthèse de la faisabilité des concepts traitement des données Critères de la faisabilité des concepts de base de données Synthèse de la faisabilité des concepts du système de gestion de bases de données Critères de la faisabilité des concepts de stockage de données Synthèse de la faisabilité des concepts stockage des données Plan de développement du système Pluvi-Tech Synthèse des résultats de l étude préliminaire Matrice de décision v

8 Chapitre 1 Introduction Actuellement, la population du Québec est évaluée à plus de 8 millions d habitants [1]. Étant une province d un pays industrialisé, le Québec a tendance à mal gérer ses ressources naturelles et plus spécifiquement son eau potable, car c est une ressource qui abonde à l intérieur de ses frontières. La meilleure façon d économiser cette denrée rare est de récupérer l eau de pluie pour l utiliser pour des tâches qui ne requièrent pas de l eau potable traitée. Dans une optique de développement durable, la compagnie Pluvi-tech a décidé de construire des systèmes automatisés de récupération d eau de pluie pour utilisation domestique extérieure. Ce système permettrait d utiliser de l eau de pluie là où l eau potable n est pas nécessaire afin de minimiser la surconsommation. Notre firme de génie-conseil, Tiger Corp, a été mandaté pour évaluer la faisabilité ainsi que les coûts liés au développement d un tel projet. Le présent document illustre la démarche suivie au cours du processus de conception et contient les éléments éssentiels pour la compréhension du produit final, c est-à-dire les besoins et objectifs, le cahier des charges, la conceptualisation et l analyse de faisabilité, l étude préliminaire ainsi que le concept retenu. 1

9 Chapitre 2 Description Le mandat confié à la firme d ingénieur Tiger Corp est la conception préliminaire d un système automatisé de récupération des eaux pluviales pour l usage domestique extérieur. Le tout se doit d être automatisé afin d offrir une interface pour la configuration et programmation du système, un affichage de la situation en temps réel, le contrôle manuel et automatique des différentes tâches comme l arrosage, un accès sécurisé du système à distance pour plusieurs usagers en cas d absences prolongées, l archivage des données et production de rapports sur celles-ci et finalement une autonomie de 20 minutes en cas de panne électrique pour permettre un arrêt sécuritaire du système et le redémarrage automatique et éviter l arrosage inutile lorsque le sol est suffisamment humide. De plus, les réservoirs doivent être capables de stocker au moins 25% de l eau de pluie captée mensuellement à travers les gouttières de la maison, se servir à même l aqueduc municipal en cas de sécheresse, empêcher les débordements en cas de fortes pluies, avoir un impact visuel minime et assurer une distribution silencieuse de l eau. Finalement, un tel système, qui est actif de façon saisonnière, doit résister à l hiver en plus d être facile d installation et d entretien et avoir un coût abordable pour qu il covienne au marché visé. 2

10 Chapitre 3 Besoins et objectifs 3.1 Besoins Le développement du système de récupération de pluie automatisé Pluvi-Tech découle des différents besoins mentionnés par le Client à la firme Tiger Corp lors de la rencontre de présentation du projet. Une brève, mais exhaustive, liste des différents besoins est faite dans la présente section Captation et stockage de l eau Stocker au moins 25 % de l eau de pluie captée pendant un mois Implanter un ou des reservoirs sécuritaires Assurer un mois d autonomie Empêcher tout débordement Système de distribution Répartition adéquate de l eau entre les diverses tâches : Remplir piscines et spas Arroser pelouses et jardins Nettoyer les voitures etc Système de traitement automatisé Permettre la programmation et la gestion du système Assurer l accès a distance Gérer la distribution de l eau Archiver 5 ans de données journalières Maintenir les activités du système pour une durée minimale de 20 minutes en cas de panne électrique 3

11 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS 4 Assurer la création des comptes de gestion avec restrictions des fonctions utilisable 3.2 Objectifs Grâce aux différents besoins du client, la firme de génie-conseil Tiger Corp a pu fixer différents objectifs qui ont rapport à la réalisation du système Pluvi-Tech. Ces objectifs sont en liens avec la captation et le stockage de l eau( 3.2.1), le système de traitement automatisé( 3.2.2), la distribution de l eau receuillie aux différentes tâches( 3.2.3) et à la performance des installations( 3.2.4). Ces objectifs sont ensuite formulés de façon hiérarchique( 3.2.5) Capter et stocker l eau Optimiser la capacité de stockage de l eau Sécuriser les reservoirs de manière à éviter les débordements Maximiser l indépendance du système à l aqueduc Traiter de facon automatisé le système Optimiser le système et l interface graphique Automatiser la gestion des tâches et du niveau de l eau Faciliter l accès au système à distance Faciliter la personalisation de l automatisation du système Accéder aux données météorologiques Optimiser l intégration du système Fournir une alimentation d appoint en cas de panne Distribuer de l eau recueillie aux différentes tâches Distribuer de l eau recueillie aux différentes tâches Performer des installations Éviter le gaspillage d eau Sécuriser le systèmes avec des matériaux fiables et robustes Faciliter l installation et l utilisation du système Hiérarchisation des objectifs

12 CHAPITRE 3. BESOINS ET OBJECTIFS 5 Figure 3.1 Organigramme hiérarchique

13 Chapitre 4 Cahier des charges Cette section présente les barêmes qui seront utilisés pour évaluer les différents concepts de l analyse préliminaire et ainsi aider à départager les meilleures solutions. Les critères sont d abord détaillés dans des textes explicatifs puis synthétisés dans un tableau 4.9 et une maison de la qualité Barèmes d évaluation des critères Réservoirs et pompes Tout l aspect mécanique du projet est réuni dans ce point. Il comprend pompes, tuyauteries et réservoirs. Il en va ainsi de soit que ce critère est le plus important puisqu une défaillance pourrait être catastrophique. Il se voit ainsi accorder une importance de 30 % Capacité de stockage La capacité de stockage est l un des sous-critères les plus importants de Réservoirs et pompes. En plus d être un critère stricte du client, des réservoirs de grande taille permettent d augmenter l efficacité du système en stockant plus d eau lors des périodes de pluie intense. Environ 18 % [2] de l utilisation des 0,386 m3 [3] d eau domestique utilisée en moyenne quotidiennement par ménage au Québec sert à l arrosage et au nettoyage de la voiture. Selon le client, Pluvi-Tech doit pouvoir stocker l équivalent en eau de la pluie moyenne d un mois soit 2.1 m3 pour obtenir une note de passage pour ce critère. Un autre critère est de pouvoir emmagasiner au moins 25 % de l eau tombant sur le toit soit aussi 2,1 m3 [4] pour un toit moyen de 100 m2. Une échelle logarithmique est utilisée pour cette formule, ainsi il est possible pour une solution proposant plus de capacité de gagner quelque points supplémentaires. V représente le volume d eau pouvant être stocké en m3. Selon [2] note = 0.4 ln(v 0.3) (4.1) 6

14 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Apparence visuel et dérangement sonore Étant donné que l un des critère de Pluvi-Tech est de stocker une grande quantité d eau, des réservoirs d une taille conséquente sont donc inévitables. En plus les pompes doivent nécessairement être localisées quelque part et produisent du bruit. Il est ainsi important pour le projet que ces équipements soient le moins visibles et audibles possible. Difficile à quantifier, ce critère sera évalué de façon qualitative. Une note de 1 lui sera attribuée si aucun équipement n est visible ni audible. Une note de 0.5 sera accordée si les équipements sont peu visibles, bien intégrés et peu audibles. Finalement, une note de 0 sera accordée si les équipements ne sont aucunement camouflés et intégrés et qu ils sont très bruyants. Les valeurs intermédiaires sont possibles. Tableau 4.1 Apparence visuelle et dérangement sonore Apparence visuelle et dérangement sonore Cote Parfaite 1 Bonne 0.75 Moyenne 0.5 Passable 0.25 Nulle Puissance de la pompe Pluvi-Tech doit être en mesure de pouvoir arroser des terrains de tailles diverses et ainsi, doit être fourni avec une pompe ayant la puissance nécessaire. Une bonne approximation du débit de pompe est fournie par la formule suivante [9] : D = 8 A où A est l aire de pelouse 3000 à arroser et D est le débit minimal de la pompe en m3/h. Le minimum acceptable est fixé à pieds carrés soit 1765 m2 sachant que c est le maximum moyen dans la ville de Trois-Rivières et une limite très acceptable. Selon la formule précédante, cela correspond à une pompe d un débit de 4,7 m3/h. Une pompe sera considérée parfaite si elle peut assurer un débit arbitraire de 11,75 m3 pour pouvoir arroser jusqu à 4406 m3, mais surtoût pour être en mesure de combler ses autres fonctions comme remplir la piscine en même temps, sans problèmes. Une fonction linéaire avec x représentant le débit en m3/h décrit la situation. note = x (4.2) Maintenance des installations Il est important de pouvoir offrir un système facile à maintenir en bon état ou à réparer en cas de bris quelconque. C est pourquoi le critère de maintenance des installations nous permet d évaluer de façon qualitative l accès aux différentes composantes du système comme les réservoirs, les pompes et les tuyaux. Une cote de 1 signifie que tout est facile d accès et

15 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 8 donc facile à remplacer alors que 0 forcerait le client à faire de gros travaux pour atteindre les différentes parties du système en plus de devoir les changer. Tableau 4.2 Maintenance des installations Type d installations Cote Tout est hors terre 1 Réseau de tuyaux sous terre 0.8 Réservoirs ou pompes sous terre 0.4 Réservoirs et pompes sous terre Fiabilité et sécurité du réservoir Le projet comporte un réservoir de taille conséquente, il est ainsi important de le sécuriser pour éviter des accidents ; que ce soit un déversement ou une noyade. On peut donc déterminer que les facteurs influençant ce critère d évaluation, sont la qualité des pièces et la sécurité du réservoir, qui est inextricablement liée au type de réservoir utilisé. La cote de ce critère sera selon la moyenne des notes attribuées aux installations en fonction des tableaux 4.3 et 4.4. Tableau 4.3 Fiabilité des installations Qualité des pièces Cote Robustes 1 Standards 0.5 Inférieures 0 Tableau 4.4 Sécurité des installations Type de réservoirs Cote Sous terre 1 Hors terre et plus haut que 1.2 mètre 1 Possèdent un couvercle sécurisé 1 Hors terre et moins haut que 1.2 mètre Processeur de données Ce volet regroupe l acquisition des données en provenances de toutes les sources disponibles comme les modules de capture, l internet et l historique des années précédantes ainsi que leur traitement. C est en partie ce critère qui va déterminer l efficacité du système Pluvi- Tech, il mérite ainsi une pondération de 20 %.

16 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Vitesse de connexion Pluvi-Tech doit utiliser plusieurs sources de données, ce qui demande une capacité de calcul non-nulle ainsi que des bandes passantes réseau et mémoire suffisantes. La puissance du processeur peut être négligée de nos jour étant donné le peu de puissance nécessaire pour faire quelques calculs arithmétiques et différentiels simples. Le critère sera donc quantifié par rapport à la bande passante. Dans le pire des cas, toutes les sources de données seront acquises en même temps et un historique sera envoyé au serveur de base de donnée s il est situé dans un module séparé. Considérant que la taille s élève à 500 ko et que la tâche doit être réalisé en 600 secondes, une bande passante de 1 ko/s est considéré comme le minimum de passage. La variable x représente la bande passante en ko/s Automatisme note = ln(x) (4.3) L autonomie de notre système est grandement influencée par le critère d automatisme. Ce critère dépend du nombre d intervention requise mensuellement pour faire fonctionner le système. Chaque intervention requise entraîne une perte de 0.1 point à la cote parfaite Portée des modules de mesure note = I (4.4) Une partie importante du projet est de pouvoir automatiser la gestion de l arrosage selon différentes sources de données. L une des plus importante est le module de mesure. Les modules sont disposés à quelques endroits sur le terrain et déterminent les conditions locales et les transmettent au processeur de données. Le taux de rafraichissement et l erreur sur la mesure étant peu importants et faciles à atteindre, c est la portée maximale qui est donc évaluée. La cote est évaluée selon la formule suivante, où r est le rayon de la portée maximale. Une portée de 20 m se voit ainsi accordée une note parfaite. note = r Serveur de base de donnée et web (4.5) Ce critère comprend tout ce qui a trait à l interface homme/machine. Les informations du processeur de données y sont stockées et rendues accessible à l utilisateur. Le lien doit être sécurisé pour empécher toute intrusion ou mauvais interprétation d une commande. Considérant son importance sur la convivialité, la côte d importance de 27 % lui est accordée.

17 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Qualité de l interface L interface fait la passerelle entre l humain et la machine. Elle se doit de présenter les informations enregistrées dans la base de donnée de façon claire et détaillée en plus de permettre à l utilisateur de transmettre ces commandes facilement. Tableau 4.5 Qualité de l interface Convivialité Cote Intuitive 1 Nécessite une formation de 30 minutes 0.5 Interface non-graphique 0.2 Necessite un technicien Vitesse de transfert du serveur de données Pour maintenir une connexion de qualité à un seul utilisateur accédant à la base de donnée, il faut entre 15 et 18 IOPS [6]. Dans le pire des cas, 3 sessions pourraient être ouvertes, le minimum pour obtenir une note parfaite est ainsi fixé à 54 IOPS. Une fonction linéaire, où x représente les IOPS, fixe les autres notes. note = x 54 (4.6) Capacité de stockage La capacité de stockage est très importante car manquer d espace entraînerait des pertes de données. Un fichier de 25 ko envoyer tous les 10 minutes, 180 jours par années, pendant 5 ans, nécessite 3 Go d espace. En plus, de l espace doit être réservé pour le système d exploitation et les logiciels. Une installation complète d un système linux fait environ 10 Go. C est pourquoi un disque dur de moins de 13 Go entraine une note de 0 et de plus de 40 Go la cote de 1. note = x (4.7) Pertes de données Pour garantir l intégrité de l historiques des informations, Pluvi-Tech doit assurer une certaine redondance des données. Une sauvegarde des données sur un disque indépendant est considérée comme largement suffisante et se verra accorder la note de 1. Si la base de donnée est simplement copiée ailleur sur le disque de façon périodique pour pouvoir restaurer toute corruption, mais pas protéger contre une panne du disque dur, la note de 0.5 sera accordée.

18 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 11 Tableau 4.6 Protections contre les pertes de données Niveau de protection Cote Copie de sauvegarde sur un disque indépendant 1 Copie de sauvegarde incrémentielle sur le même disque 0.5 Aucune sauvegarde Protection des données Dans un système comme Pluvi-Tech, un pirate informatique pourrait causer de sérieux dégâts, non pas juste en accédant aux données privées, mais aussi en prenant contrôle du système et causer ainsi d importants dégâts à la propriété. La protection informatique est évaluée selon le barème présenté dans le tableau 4.7. Si un mot de passe est demandé pour accéder à une session ayant des privilèges, une note de 0.2 sera obtenue, si en plus des précautions sont prises pour sécuriser toutes les failles possibles du serveur, la note de 0.5 sera accordée et si en plus toutes les connexions sont cryptées, alors ce sera une note parfaite. Tableau 4.7 Protection des données Niveau de protection Cote Cryptographie asymétrique 1 Serveur sécurisé 0.5 Mot de passe seulement 0.2 Aucune protection Intégration visuelle L impact visuel du serveur et de la base de données web sera déterminé par la grosseur et la beauté de la boite contenant le tout en plus des fils sortant de celle-ci. Comme Pluvi-Tech ne demande pas une puissance de calcul et une base de données énorme le tout devra être plutôt discret. Une note qualitative de 1 sera attribuée si la totalité du système est cachée du client et aucun fils n est visible. Une note de 0.5 représente une boîte visible avec des fils visible mais non encombrant. Et la note de 0 serait le pire scénario avec une grosse boîte et plein de fils encombrants Coût Pour que Pluvi-Tech soit une réussite, il va être très important de prendre en considération le prix qu il en coûtera à un acheteur. Ce montant n est pas uniquement composé du versement

19 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 12 Tableau 4.8 Intégration visuelle Description Cote Invisible 1 Petit et s intègre bien, fils discrets 0.7 Gros et s intègre bien, fils discrets 0.5 Boîte et fils encombrants 0 initial qui dépend du coût de fabrication, mais aussi des paiements récurrants que sont l entretient et l installation. Déterminant le succès commercial de Pluvi-Tech, le coût du projet se voit accorder la note relativement haute de 23 % considérant qu il ne contient que trois sous-critères Coût de fabrication Le coût de fabrication aura un impact important lorsque viendra le temps de commercialiser Pluvi-Tech. Pour un tel système un coût de fabrication estimé à 4500$ donne une cote de 0.4, car ce montant sera probablement plus que suffisant pour la fabrication du système. La formule permettant d évaluer le prix suit une courbe exponentielle. 7700$ et plus entraîne une cote de 0 alors qu aucun coût de fabrication donne une cote parfaite Coût d entretient note = x (4.8) Pluvi-Tech se veut être un système de gestion automatisé. Le client va donc accorder une haute importance au fait que l ensemble puisse être posé et oublié. Il en va de même pour le coût. Pluvi-Tech devra avoir une empreinte monétaire la plus faible possible après l achat pour ainsi arborer une image de fiabilité. Les coûts d entretient obtiennent donc une place importante dans le cachier des charge. C est coûts sont considérés comme étant acceptable s il sont égale à 9% du coût totale du projet annuellement Coût d installation note = x (4.9) Le coût d installation est un facteur important lors de l achat du système car il a un impact sur le coût total. Il est déterminé qu un coût de 2000$ représente le seuil de passage avec une cote de 0.4, aucun coût entraine la note de 1 et baisse de façon linéaire suivant une pente de comme l indique la formule note = x + 1 (4.10)

20 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES Cahier des charges et maison de la qualité Dans cette section est présentée un compte rendu graphique du contenu de la section 4.1 sous forme d un tableau qui résume chaque critère, sa pondération, son barème et les spécifications du client et sous forme d une maison de la qualité qui met les différents aspects en relation Cahier des charges Tableau 4.9 Cahier des charges Critères Pond. Barème Min Max Réservoirs et pompes 30% Capacité de stockage % 0.4 ln(v 0.3) Apparence visuelle 5% Tableau 4.1 et dérangement sonore x Puissance de la pompe % Maintenance des installation % Tableau 4.2 Fiabilité et sécurité du réservoir % Tableaux 4.3, 4.4 Processeur de données 20% Vitesse de connexion du processeur de données % ln(x) Automatisme % I Portée des modules de mesure % r 20 Serveur de base de donnée et web 27% Qualité de l interface % Tableau 4.5 Vitesse de transfertl % x 54 x 13 Capacité de stockage % 27 Perte de données % Tableau 4.6 Protection des données % Tableau 4.7 Intégration visuelle % Tableau 4.8 Coût 23% Coût de fabrication % x Coût d entretient % x Coût d installation % x + 1 Note minimale = 0, Note maximale = Maison de qualité

21 CHAPITRE 4. CAHIER DES CHARGES 14 Figure 4.1 Maison de qualité du cahier des charges

22 Chapitre 5 Conceptualisation et analyse de faisabilité Dans cette section, les différentes fonctions du système de captation et distribution de pluie automatisé Pluvi-Tech seront présentées ainsi qu une conceptualisation des sousproblèmes découlant de ces fonctions. Les fonctions seront présentées sous forme d un diagramme fonctionnel. Une élaboration de solutions pour chaque sous-problème sera faite, et le chapitre se terminera par une analyse de chaque solution pour vérifier sa faisabilité. 5.1 analyse fonctionnelle Cette étape se résume à définir les différentes fonctions du système et les représenter à l aide d une figure appelée diagramme fonctionnel. La figure 5.1 permet de présenter toutes les fonctions du système et les relations existant entre elles. Ainsi, le système a comme intrants l eau de pluie et de l aqueduc, les données venant des capteurs environnementaux, les données météorologiques et les différentes commandes. Ces intrants, associés à diverses fonctions du système, donnent lieu aux extrants : l eau d opération(arrosage et remplissage), le surplus d eau qu on rejettera dans les égouts et les données archivées. L analyse du diagramme fonctionnelle permet de déceler les sous problèmes qui sont à traiter : Réservoirs et pompes Emmagasiner l eau receuillie de façon sécurisée Répartir l eau receuillie Processeur de données Contrôller automatiquement les opérations du système Serveur de base de données et web Archiver les données de l historique Assurer une connexion a distance du systeme recevoir et traiter les données météorologiques et des senseurs 15

23 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 16 Figure 5.1 Diagramme fonctionnel pour le projet Pluvi-Tech

24 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ Conceptualisation des solutions et analyse de faisabilité Système de stockage et de pompage de l eau Un des problèmes inhérents au développement d un système de récupération de l eau de pluie automatisé est le stockage de cet eau et la répartition de celle-ci. Le choix du concept retenu sera en fonction des critères du tableau 5.1 Tableau 5.1 Critères de la faisabilité des concepts de stockage d eau Aspects Critères importants Barême Physique Apparence visuelle 4.1 Économique Coût Temporel Puissance de la pompe Socio-environnemental N/A N/A Citerne souple d une capacité de 3000L et pompe dorinoxmatic 4000 Caractéristique : Le prix de cette citerne est de 500$, elle est faite pour la récupération de l eau de pluie à partir des gouttières des résidences. Elle se trouve à la surface du sol, mais on doit prévoir de renforcer ce dernier pour protéger le réservoir et empêcher l affaissement du sol. Par ailleurs, l eau qui est emmagasinée peut être entreposée longtemps, car il n y a pas d air à l intérieur. De plus, il y a un trop plein sur le dessus pour empêcher de faire exploser la citerne. La citerne souple a besoin de beaucoup d espace. En effet, elle a une longueur de 2,96 mètres, une largeur de 2,50 mètres et une hauteur de 0,60 mètres. Elle est faite de polyeter anti UV ce qui lui permet de résister à des températures allant jusqu à 70 degrés Celsius. Pour distribuer l eau, on utilisera une pompe automatique Dorinoxmatic Elle permet de distribuer l eau sur une surface de 1100M 2 et ses turbines en inox assure une résistance à l usure notable. Cette pompe vaut 500$. De plus, un ensemble de tuyau hunter dripline à 1,50 $ le mètre est utilisé. Décision : Rejeté Justification : Ce concept, bien que très économique (environ 1000 $) est rejeté pour plusieurs raisons. Bien que la citerne utilisée est facile à installer, elle prend beaucoup d espace dans la cour arrière et à un impact notable sur le décor, car elle n est pas très esthétique. De surcroît, elle est difficile à nettoyer puisque l eau qui y entre ne peut pas être complétement pure. Effectivement, il peut y avoir une accumulation de boue au fond qui fait en sorte que même lorsqu on vide complétement l eau, la citerne souple est difficile à manipuler et à nettoyer. Aussi, la citerne souple est plus à risques et moins solide. Des rongeurs pourraient

25 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 18 la vandaliser ou des enfants pourraient l accrocher. Finalement, la tuyauterie utilisée est à l extérieur de la terre, donc est visible, donc pas très esthétique. Références : [31] [32] [33] [34] [40] Citerne eau pluviale 3000L H1940xD1700mm avec pompe kietis8000 Caractéristique : La citerne d eau de pluie permet de recueillir les écoulements du système pluvial du bâtiment résidentiel. Celle-ci possède un trop-plein pour évacuer l eau excédentaire vers les égouts ou l endroit désiré. Par contre, l eau doit être la plus propre possible lorsqu elle entre dans le réservoir, car la poussière et les déchets organiques peuvent créer des odeurs à proximité du réservoir. Ce réservoir possède des avantages non négligeables, car il est fait en polyéthylène. Ainsi, son faible poids permet de manipuler la citerne aisément, son étanchéité est garantie, le matériel est non corrosif et il est facilement nettoyable puisqu il est antiadhérent. Le coût de ce réservoir de 3000L est de $. Son coût est justifié, car le réservoir peut être enfoui sous terre. Il faut par contre prévoir les coûts additionnels lors de l installation pour l excavation du terrain. Le trou doit être d environ 2,5 m de profond par 3 mètres de diamètres et du sable doit être ajouté pour faire le remplissage. Pour ce qui est de la pompe Kietis 8000, elle permet d arroser un terrain de 1600m 2 avec des performances de 10m 3 /h et ce à 4,5 bars. Cette pompe multicellulaire autoamorçante coûte environ 590$. De plus, un ensemble de tuyau en pvc sous terrain est utilisé, on estime l installation de ce systère à 7$ le mètre en raison de l installation sous terre. Décision : Retenu Justification : Ce réservoir permet de contenir suffisamment d eau pour les besoins du client. De plus, en étant sous terre il fournit un net avantage sur la qualité visuelle des installations. Par ailleurs, la pompe utilisée est robuste, sileucieuse et elle est adaptée aux gros débits. Elle peut alors couvrir une grande partie de terrain et ainsi permettre à un plus grand éventail de clients de bénéficier de cela. Le coût total de cette section est toutefois un peu élevé, car on a choisi une pompe performante ainsi qu un réservoir pouvant être enseveli dans le sable. Il faut donc prévoir 1000$ pour l escavation. Références : [35] [36] [37] [38] [41] x1000L cuve de plastique et pompe kietis 6000 Caractéristique : Ce conteneur est fait en plastique et peut contenir 1000 L pour un coût de seulement 88$ chacun, ainsi pour la modique somme de 176$ la capacité totale serait de 2000L. Par contre, n étant sous terre, ils prennent de l espace et ne sont pas esthétiques. Par ailleurs, ils sont résistants et peuvent être recouverts pour être camouflés. Tout comme pour les autres concepts, ce réservoir doit pouvoir être nettoyé. En étant en trois parties distinctes, il est plus facile de manipuler un cube à la fois pour les nettoyer et enlever la boue qui peut s accumuler au fond. Pour ce qui est de la pompe Kietis 6000, elle est un peu moins performante que la Kietis 8000, mais moins dispendieuse. Elle permet tout de même de couvrir une surface de 1200m 2. Son coût est de 233 $ à l achat. De plus, un ensemble de

26 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 19 tuyau en pvc sous terrain est utilisé, on estime l installation de ce systère à 7$ le mètre en raison de l installation sous terre. Décision : Retenue mais. Justification : Bien que le critère d esthétisme ne soit pas respecté, l économie par rapport aux autres concepts fait en sorte que ce concept doit être considéré. En effet, il devient très abordale de pouvoir récupérer l eau de pluie. Références : [39] [41] Analyse de faisabilité du système de stockage de l eau Le tableau 5.2 résume brièvement le résultat de l analyse de faisabilité des différents concepts énumérés dans la section Tableau 5.2 Synthèse de la faisabilité des concepts de stockage et pompage de l eau Concept Physiques Économiques Temporels Socio- Décision Evironnementaux Souple Oui Oui Non N/A Rejeté Souterrain Oui Oui Oui N/A Retenu Externe Oui mais Oui Oui mais N/A Retenu, mais Système de serveur web Dans cette section, le problème d enregistrement des données dans une archive consultable sera traité. L ensemble des critères servant à l analyse de faisabilité de divers concepts illustrés dans cette section est résumé dans le tableau 5.3. Tableau 5.3 Critères de la faisabilité des concepts de serveur web Aspects Critères importants Barême Physique Capacité de stockage Économique Coût installation et entretien Temporel Capacité de calcul Socio-environnemental N/A N/A Windows IIS Description : La suite IIS est une suite d outils serveurs exclusifs à Windows. Autrefois, IIS était le deuxième plus important serveur web, mais depuis fin 2011, il est en perte de

27 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 20 popularité au profil de nginx et Apache [10]. IIS est développé par Microsoft et nécessite une licence Windows (idéalement dans sa version serveur), il possède ainsi des coûts supplémentaires par rapport aux autres possibilités. De plus, l utilisation d une machine Windows implique de nombreuses contraintes. Le processeur doit être d architecture x86 d au moins 1 GHz et l ordinateur doit posséder au moins 512 Mo de RAM et 10 Go d espace disque [11]. Tous systèmes intégrés sont donc exclus. Par contre, étant un logiciel commercial, un support professionnel est disponible et son installation est aisée une fois Windows installé. La performance, la sécurité et la flexibilité de ce serveur laissent souvent à désirer [12] [13]. Le langage ASP est le seul langage facilement utilisable avec ce serveur. Décision : Rejetée Justification : En plus d être une solution souvent peu performante, IIS implique des coûts supplémentaires au projet par l achat d une licence Windows Linux Apache Description : La plateforme Linux Apache est le choix le plus populaire sur le web depuis 1996 [14]. Il s agit par son ancienneté et sa philosophie open source du choix par excellence si la stabilité est la priorité. Le système d exploitation Linux est aujourd hui reconnu comme le choix par excellence pour les serveurs, au moins 6 des 10 serveurs web les plus fiables sur internet sont basés sur Linux [15]. En plus, Linux et Apache sont tous les deux gratuits. Un autre important avantage de ce système est qu il peut être installé sur des systèmes très variés, 26 architectures de processeur à ce jour. Un système Linux pourra ainsi être personnalisé au besoin de Pluvi-Tech, que ce soit la puissance, la consommation électrique ou le coût. De plus, Linux, comme Apache, est complètement gratuit. Apache possède aussi la plus grande flexibilité pour le développeur, de nombreux modules peuvent lui être greffés pour lui ajouter des fonctionnalités, aussi, les pages web dynamiques peuvent être écrites dans plusieurs langages comme PHP, Python, Tcl ou Perl au choix du programmeur. Par contre, ce serveur est aussi réputé pour sa consommation élevée de mémoire et parfois, ses faibles performances comparativement à d autres serveurs plus modernes. Décision : Retenu, mais Justification : Malgré la gratuité d Apache, pour pouvoir garder les coûts de Pluvi-Tech faible, son architecture matérielle devra être légère. Les performances avec un serveur Apache risquent ainsi de laisser à désirer ou de nécessiter du matériel plus puissant. Par contre, ce serveur possède une pléiade d autres fonctionnalités et une stabilité à toute épreuve qui font d Apache un choix qui ne peut être négligé. Linux est le choix par excellence pour Pluvi-Tech puisqu il permet de sauver des coûts, de personnaliser d avantage le serveur et même parfois de gagner en performance et stabilité. Apache Linux est donc retenu, mais à condition que ses performances soient bonnes Linux nginx Description : nginx est un serveur web open source. Il est beaucoup plus léger que la plupart des serveurs. Il est particulièrement apprécié pour sa capacité à pouvoir soutenir un

28 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 21 grand nombre de connexions en utilisant très peu de mémoire et sans ralentissement [16]. Sa rapidité lui a rapidement fait prendre de la popularité au cours des dernières années, dépassant même IIS, le serveur de prédilection de Windows. nginx réalise cette meilleure utilisation de la mémoire en gérant les requêtes de façon évènementielle plutôt qu en créant à chaque fois un thread ou un processus à chacune d elle. Bien qu en moins grand nombre que pour Apache, de nombreux modules et langages supplémentaires sont disponibles. Leur installation est parfois légèrement compliquée, mais sans plus. nginx est totalement gratuit. Décision : Retenu Justification : En plus d apporter tous les avantages décrits précédemment pour Linux, utiliser nginx plutôt qu Apache va permettre d utiliser un système très modeste pour servir les pages web sauvant ainsi de nombreux coûts sans compromis Analyse de faisabilité du serveur web Le tableau 5.4 résume les différents concepts en ce qui a trait au serveur web, ainsi que leurs respects de critères gérant la faisabilité du projet, tel qu énuméré au début de la section Tableau 5.4 Synthèse de la faisabilité des concepts du serveur web Concept Physiques Économiques Temporels Socio- Décision Evironnementaux Windows IIS Oui Non Non N/A Rejeté Linux Apache Oui Oui Oui, mais N/A Retenu, mais Linux nginx Oui Oui Oui N/A Retenu Système de traitements des données Cette section va analyser le traitements des données, que ce soit les données reçues par les capteurs et les données météorologiques, ainsi que l archivage des données relatives à l utilisation du système et la génération automatique de commande pour empêcher le gaspillage d eau en cas d averse. Cette section va également analyser la compatibilité entre les modules de mesures et le système de traitement de données. Le tableau 5.5 résume les critères d évaluations pour l analyse de faisabilité Microcontrolleur Arduino Due + capteur d humidité HS1101LF Caractéristiques : Le microcontrolleur Arduino Due est un microcontrolleur programmable qui permet de recevoir de l information et de la traiter de façon personnalisée. Ce microcontrolleur possède un coeur 32 bits de type ARM, a 54 entrées/sorties numériques ainsi que 12 entrées analogues. Il possède également une mémoire Flash de 512 kilooctets pour le code d éxecution et une mémoire volatile de 96 kilooctets et son horloge est réglé à

29 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 22 Tableau 5.5 Critères de la faisabilité des concepts de traitement de données Aspects Critères importants Barême Physique Entrées/sorties numérique et analogique N/A Économique Coût installation et entretien Temporel Capacité de calcul 4.3 Socio-environnemental N/A N/A 84 megahertz. Ce microcontrolleur doit être alimenté, soit par une alimentation externe ou par une connexion USB avec un ordinateur. Son prix de détail est de 49,95 $. Pour ce qui est du module de mesure, un capteur d humidité compatible fourni des données analogiques à très bas coût, soit 5,00 $. Décision : Retenu Justification : Ce microcontrolleur peut amplement suffir à la tâche pour ce qui est de la vitesse des calculs à effectuer et ses entrées et sorties numériques et analogiques permettent de recevoir l information autant des modules de mesures que des données météorologiques, ainsi que d envoyer des commandes au système en fonction des données reçues et traitées. Son prix relativement faible est également un avantage. Il peut communiquer avec le reste du système par ses ports de sortie numériques et par son port USB. Références : [17] [18] Microcontrolleur Cubieboard + microcontrolleur Arduino Micro + Capteur d humidité HH10D Caractéristiques : Le microcontrolleur Cubieboard est un microcontrolleur programmable permettant le reception et l envoie d information. Ce microcontrolleur possède un coeur ARM de type Cortex-A8 dont l horloge est cadencé à 1 gigahertz et qui a une mémoire cache de 256 kilooctets. Sa mémoire de 4 gigaoctets est de type Flash. Il offre un port de sortie USB et un port SATA. Le cubieboard offre 96 entrées/sorties de type numériques et son prix de détails est de 50 $. Le microcontrolleur Arduino Micro est un microcontrolleur minimaliste qui possède 12 entrée analogiques et 20 sortie numériques. Son prix de détail s élève à 18 $. Le capteur d humidité HH10D capte l humidité relative de son environnement immédiat et la transforme en données analogiques. Son prix de détail s élève à 9,95$. Décision : Retenu Justification : Bien qu il réponde à la majorité des critères de sélection, ce module n offre pas d entrée analogiques, qui sont nécessaires à la réception des données des modules de mesure sur l humidité du terrain. Il requiert donc l utilisation d un lien entre le capteur et lui-même. C est le rôle du Arduino Micro, qui peut recevoir de l information analogique et le convertir en numérique. Il pourra communiquer avec l ensemble des parties du système grâce à ses multiples sorties numériques et son port USB. Dans l ensemble, cette option est

30 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 23 viable, mais son coût assez élevé la rend moins intéressante. Références : [19] [20] [21] Mini-ordinateur Raspberry Pi Model-B + microncontrolleur Arduino Micro + capteur d humidité HS1101LF Caractéristiques : Le Raspberry Pi Model-B est un microcontrolleur programmable permettant le traitement d information externe. Son prix de détail est de 35 $. Il opère sur un coeur ARM cadencé à 700 megahertz. Il ne possède pas de mémoire non-volatiel, ce qui entraîne l achat d une carte SD ou d une clé USB pour pouvoir enregistrer du code d exécution. Pour ce qui est de sa mémoire volatile, elle s élève à 512 Mo. Il y a possibilité de se connecter au réseau sans-fil wi-fi et au Bluetooth. Le microcontrolleur Arduino Micro est un microcontrolleur minimaliste qui possède 12 entrée analogiques et 20 sortie numériques. Son prix de détail s élève à 18 $. Le capteur d humidité HH10D capte l humidité relative de son environnement immédiat et la transforme en données analogiques. Son prix de détail s élève à 5,00$. Décision : Retenu Justification : Ce mini-ordinateur peut satisfaire la tâche qui lui incombe, grâce à sa vitesse de calcul assez élevé pour la tâche qui va lui être donnée. Un de ses désavantages est l absence de mémoire non-volatile, mais le coût d achat d un périphérique de stockage est compensé par le coût très faible du microcontrolleur. Sa capacité de communiquer avec la réseaux sans-fil et le Bluetooth lui permettront de gérer plus facilement les données entrantes et sortantes. Le microcontrolleur Arduino peut faire le lien entre le capteur d humidité et le mini-ordinateur avec ses entrées analogiques et ses sorties numériques. Le capteur d humidité a un coût relativement faible et est assez précis pour les tâches qu il va effectuer. Grâce au multiples options de communication qu offre cette option, l information peut facilement être acheminé jusqu au autres parties du système. Dans l ensemble, cette option est viables, mais a un coût assez élevé. Références : [19] [20] [18] Mini-ordinateur BeagleBoard-xM + microcontrolleur Arduino Micro + Capteur d humidité HH10D + Connecteur Bluetooth HC-05 Caractéristiques : Le BeagleBoard-xM est un microcontrolleur programmable de performance. Son coeur est de type Arm Cortex-A8, il est cadencé à 1 gigahertz et il permet l installation de la plupart des systèmes d exploitation disponibles pour ce genre de périphérique. Il possède une mémoire volatile de 512 Mo, mais il nécessite l achat d un périphérique de stockage externe pour la sauvegarde de code d execution. Il possède également un port de connection réseau et 4 entrée USB. Son prix de détail est de 150 $. Le microcontrolleur Arduino Micro est un microcontrolleur minimaliste qui possède 12 entrée analogiques et 20 sortie numériques. Son prix de détail s élève à 18 $. Le capteur d humidité HH10D capte l humidité relative de son environnement immédiat et la transforme en données analogiques. Son prix de détail s élève à 9,95$. Finalement, l adapatateur Bluetooth HC-05 est un module

31 CHAPITRE 5. CONCEPTUALISATION ET ANALYSE DE FAISABILITÉ 24 communiquant par l intermédiaire des ports série des microcontrolleurs Arduino Micro et du Beagleboard, permettant une communication sans-fil de courte distance. Sa portée maximal s élève à environ 15 m et son prix de vente au détail est de 15,95$. Décision : Retenu mais Justification : Ses capacités de calculs sont plus que suffisantes pour la tâche qui va lui être donné, mais son prix assez élevé, en plus du manque de possibilité pour l entrée et la sortie de données et l absence de stockage interne rendes cette option plus ou moins avantageuse pour le projet de récupération d eau de pluie automatisé. L Arduino Micro permet de transformer les données analogiques du capteur en numériques, un type de données analysable par le mini-ordinateur. Le capteur possède une précision amplement suffisante pour la tâche qui lui incombe. Grâce à son port de connexion réseau et ses multiples sorties numériques, le BeagleBoard-xM pourra facileent relayer les informations qu il traite aux parties du système concerné. Par contre, le prix très élevé de l ensemble en font une solution qui peut difficilement être utilisé dans le cadre du projet Pluvi-Tech. Références : [22] [20] [21] [43] Analyse de faisabilité du système de traitement des données Le tableau 5.6 résume les différents concepts en ce qui à trait au traitement des données, ainsi que leurs respects de critères gérant la faisabilité du projet, tel qu énuméré au début de la section Tableau 5.6 Synthèse de la faisabilité des concepts traitement des données Concept Physiques Économiques Temporels Socio- Décision Evironnementaux Arduino Due Oui Oui Oui N/A Retenu Cubieboard Oui Oui mais Oui N/A Retenu Model-B Oui Oui Oui mais N/A Retenu BeagleBoard Oui, mais Oui mais Oui N/A Retenu mais Système de gestion de base de données Cette section va analyser quelques logiciels disponibles de base de données. Pour gérer les données sur le serveur, il est important d avoir un système de gestion de base de données qui permet d accèder aux informations de manière efficace et rapide tout en assurant la fiabilité des informations et leur confidentialité. Le tableau 5.7 résume les critères d évaluations pour l analyse de faisabilité.