Chapitre 2. Revue de la littérature et description de la méthodologie
Introduction
Dans ce chapitre, il s’agit dans un premier temps de définir le concept de la surveillance animale et de dégager ses enjeux dans un cadre spécifique de l’élevage bovin, puis de passer en revue les approches technologiques existantes à ce sujet, avant de faire une description complète de l’approche méthodologique retenue. Ceci dans le but de circonscrire un cadre techno-méthodologique à cette étude et d’en déceler l’originalité.
Revue de la littérature
Cette section revient sur le concept et les enjeux de la surveillance animale, avant d’en présenter l’état de l’art à travers les solutions technologiques applicables et déjà appliquées à cette fin.
De la surveillance des bovins : définition et enjeux
Les Centres pour le contrôle des maladies aux Etats-Unis (CDC) définissent la surveillance en santé publique comme un processus systématique de collecte, d’analyse et d’interprétation de données sur des événements spécifiques de santé, pour la planification, la mise en œuvre et l’évaluation des pratiques en santé publique, étroitement associées à leur juste diffusion à ceux qui ont besoin d’être informés [15]. De même, la définition de la surveillance en santé animale, actuellement maintenue par le ministère français de l’agriculture, de l’agroalimentaire et de la forêt, est la méthode fondée sur des enregistrements permettant de suivre de manière régulière et prolongée l’état de santé ou les facteurs de risque d’une population définie, en vue d’adopter des mesures appropriées de lutte [16]. De la part de l’Académie d’agriculture française, elle démontre que les réseaux de surveillance en élevage permettent, non seulement d’éviter et de contrôler les maladies contagieuses qui frappent les animaux, mais également de garantir le niveau de qualité nécessaire des produits animaux [17].
Par ailleurs, dans le contexte de géolocalisation animale, la surveillance est définie comme un processus de détermination de la position et de traçabilité de l’animal sur un plan ou sur une carte à l’aide de ses coordonnées géographiques [18].
De discussions ci-haut faites au sujet de la surveillance animale, cette étude retient, tant pour la santé que pour la géolocalisation des animaux, trois éléments essentiels dont (i) la détection et la collecte systématique et continue des données pertinentes ; (ii) la synthèse ordonnée et l’évaluation de ces données ; et (iii) la prompte communication des résultats d’analyse aux concernés. Il s’agit donc d’une action concrète posée dans le temps et dans l’espace.
Les enjeux majeurs que présente la surveillance en élevage bovin sont d’ordre agroalimentaire, socio- économique, environnemental et sanitaire.
Sur le plan agroalimentaire, outre sa fonction alimentaire de procuration suffisante en protéines et en kilocalories animales [19], l’élevage bovin reste un moyen pour faciliter d’autres cultures agricoles. Dans certains pays, les bovins sont utilisés, non seulement comme une main d’œuvre de culture, mais aussi leurs matières organiques permettent de maintenir la fertilité des sols [20]. Une bonne surveillance en élevage bovin contribuerait suffisamment à la satisfaction des besoins en nourriture de la population mondiale qui continuent de croître de façon exponentielle [21].
Sur le plan socioéconomique, l’élevage est un moyen de lutte contre la pauvreté, la plupart des pauvres en milieu rural en sont tributaires [22]. Il reste aussi le sous-secteur de l’agriculture qui contribue le plus au produit intérieur brut dans plusieurs pays, il fournit d’ailleurs la moitié de la valeur de la production agricole mondiale et le tiers de celle des pays en développement [23]. Une surveillance adéquate en élevage bovin, entraînerait donc à la fois une croissance microéconomique et macroéconomique.
Du point de vue environnemental, la surveillance en élevage bovin permet d’éviter la déstabilisation des écosystèmes. En effet, l’élevage bovin non efficacement surveillé est très souvent à l’origine de la déforestation, de la pollution des cours d’eau et de la production de gaz à effet de serre [24].
Enfin, l’enjeu sanitaire de la surveillance en élevage bovin est défini par sa conséquence directe ou indirecte sur la santé humaine et sur le bien-être animal. En effet, les agents zoonotiques sont à l’origine d’environ soixante pourcents (60%) des maladies infectieuses chez l’homme [15].
Du numérique en élevage bovin : techniques et outils de surveillance
Plusieurs approches technologiques existent au sujet de la surveillance en élevage bovin, les principaux paramètres surveillés par ces technologies chez la vache étant la santé, la géolocalisation, les chaleurs et les vêlages. Néanmoins, cette étude s’intéresse seulement à la santé et la géolocalisation animales.
Technologies de surveillance santé en élevage bovin
Les principales technologies de surveillance appliquée à la santé animale qui ont émergé ces dernières années sont la robotique et l’internet des objets.
La surveillance santé animale par robotique consiste à déployer à la surface de la ferme, des robots dotés d’une intelligence artificielle, observant des animaux qui présentent des troubles sanitaires, et peuvent au besoin prendre des décisions et initier des actions. En élevage laitier, les robots peuvent traire du lait des vaches et contrôler leur alimentation avec plus de précision possible [25].
La surveillance santé animale par internet des objets consiste à placer des capteurs sur l’animal, pour détecter différents paramètres traduisant son état de santé, entre autres la température corporelle, la fréquence cardiaque, le nombre de pas, et à les connecter à une base de données accessible par le décideur sur internet. Les informations détectées par les différents capteurs sont ainsi transmises à la base de données distante à travers une technologie de transmission sans fil [4]. Ces technologies de transmission des données via les ondes radio sont généralement (i) le Wi-Fi qui est régi par la norme IEEE 802.11 et fonctionne dans la bande de fréquences de 2,4 GHz et 5 GHz, avec une portée maximale de 250 mètres ; (ii) le ZigBee qui est régi par le standard IEEE 802.15.4 et nécessite l’utilisation d’un pont ou d’un concentrateur, avec une portée réduite entre 10 et 20 mètres et une fréquence de 868 MHz en Europe et 2,4 GHz partout ; et (iii) le XBee qui fonctionne à une fréquence 2,4 GHz avec une portée comprise entre 30 mètres et 1,5 Kilomètres [26].
Parmi les solutions technologiques de surveillance santé bovine proposées bien avant ces recherches, l’attention a particulièrement été portée à (i) celle de Steve Warren et Angel Martinez basée sur la pilule électrocardiographique [27] ; (ii) celle de Kunja Bihari Swain et Satyasopan Mahato basée sur Arduino et LabView [28] ; (iii) celle de Jegadeesan et Prasanna Venkatesan basée sur le contrôleur ARM7 et le réseau de capteurs sans fil [29] ; et (iv) celle à base de l’internet des objets telle que proposée par Swapnil Kurkute et al [30].
Le système de Steve Warren et Angel Martinez est composé d’une pilule électrocardiographique détectant le rythme cardiaque de la vache, connectée à un circuit électrocardiogramme placé sur la vache, et des stations de base ZigBee installées autour de la ferme. Lorsqu’une vache prototypée approche une station de base ZigBee, celle-ci télécharge les informations détectées et les transmet à un réseau des vétérinaires pour analyse et interprétation [27]. Les faiblesses qui découlent de ce système sont le retard qu’il connait dans la transmission des informations entre le capteur et la station ZigBee, quand il faut attendre que ces deux composants s’approchent l’un de l’autre, mais aussi le coût de son utilisation devient extrêmement grand lorsqu’il faut acquérir plusieurs stations ZigBee à l’échelle du périmètre de la ferme.
L’archétype de Kunja Bihari Swain et Satyasopan Mahato est en deux blocs. Le premier bloc qui est celui de transmission, est composé de divers capteurs (de température et humidité, du rythme cardiaque et de rumination), d’un module XBee et d’une source d’énergie supplémentaire, tous connectés à une carte Arduino et placés sur la vache. Le second bloc, celui de réception, est composé d’un autre module XBee, d’une autre carte Arduino et de l’ordinateur de l’éleveur sur lequel tourne le logiciel LabView [28]. Les données détectées à la transmission sont transférées à travers le module XBee de transmission et reçues à la réception par le module XBee de réception qui les transmet à la carte Arduino de réception, puis affichées selon une représentation graphique sur l’interface du
LabView. Ce système présente ainsi les désavantages d’être trop encombrant par l’utilisation des modules ZigBee de part et d’autre, mais aussi d’être trop couteux s’il faut payer le logiciel LabView pour un usage professionnel.
Quant au modèle de Jegadeesan et Prasanna Venkatesan, il est centré sur un contrôleur ARM7 auquel sont connectés différents capteurs, un afficheur LCD et un déclencheur d’alarme Max3232, tous placés sur la vache [29]. Les informations détectées par les capteurs sont affichées sur le petit écran LCD et dès qu’un comportement anormal est détecté, le Max3232 déclenche un son pour alerter le fermier. Ce système trouve sa faiblesse dans le sens qu’il n’inclut pas une unité permanente de stockage des informations détectées qui puisse servir d’historique.
Par ailleurs, le prototype de Swapnil Kurkute et al, est très proche de celui proposé dans cette étude. Il est à base de l’internet des objets et est composé également de deux blocs. Le bloc de transmission comprend les différents capteurs (de température et humidité corporelles et du nombre des pas de la vache) et une source d’énergie supplémentaire, branchés au microcontrôleur NodeMCU qui embarque un module Wi-Fi. Le bloc de réception est composé d’une application mobile installée dans le portable du fermier [30]. Les informations détectées dans le bloc de transmission sont directement téléchargées à l’application mobile à travers le module Wi-Fi embarqué dans le NodeMCU.
Technologies de géolocalisation en élevage bovin
La géolocalisation peut être définie comme un procédé qui consiste à positionner un objet du monde réel sur un plan ou sur une carte à l’aide de ses coordonnées géographiques [31]. La revue théorique récence ici quatre technologies de géolocalisation des objets qui soient adaptables à la géolocalisation animale. Il s’agit de la géolocalisation par camera ; la géolocalisation par satellite ; la géolocalisation par système global pour mobile (GSM) ; et la géolocalisation par identification par radiofréquence intérne (RFID).
La technologie de géolocalisation par camera repose sur la capture et l’analyse des projections des caractéristiques images pour déterminer la position et l’orientation de l’objet cible. Selon la configuration choisie, la caméra peut être montée sur une position fixe, ou elle peut être en mouvement. Cette technologie trouve sa limite majeure du fait que la capture des caractéristiques n’est possible que lorsque l’objet cible est dans la portée de la caméra [32].
Un système de positionnement par satellite (GNSS) est une technologie basée sur des signaux émis par des satellites placés en orbite terrestre et fournissant une couverture mondiale. Le principe de fonctionnement consiste ici à mesurer le temps de propagation du signal électromagnétique du satellite émetteur au récepteur. Ce signal est enregistré par le récepteur sous forme des coordonnées géographiques sur trois axes, notamment l’axe X qui indique sa longitude, c’est-à-dire son
éloignement Est ou Ouest ; l’axe Y qui indique sa latitude ou son éloignement Nord ou sud ; et l’axe Z qui indique son altitude. Ainsi, la position du récepteur est déterminée par intersection des mesures du temps de propagation du signal provenant de plusieurs satellites [31].
Les principaux services mondiaux de positionnement par satellite sont le système global de positionnement (GPS) qui est un système américain utilisant vingt-quatre satellites tournant autour de la terre dans vingt-quatre heures ; le dispositif civil européen Galileo et le dispositif militaire russe qui utilisent également vingt-quatre satellites chacun [31]. Ces technologies restent plus adaptées dans des zones suffisamment ouvertes. Leurs limites sont vites atteintes dans les endroits trop fermés qui réduisent la qualité du signal et peuvent parfois empêcher de le capter.
La géolocalisation par GSM repose sur le principe selon lequel aussi longtemps que le mobile est dans une zone sous couverture réseau, il se connecte à une antenne relais GSM. Ainsi, la localisation de ce mobile est dépendante du nombre d’antennes relais [33]. Elle reste cependant moins précise car elle n’indique pas l’endroit précis auquel le mobile se trouve, mais plutôt la cellule qui le prend en charge à un instant donné.
Quant à la technologie de RFID interne, le principe consiste à placer des étiquettes électroniques sur les objets à localiser et à placer des lecteurs RFID à des endroits fixes. La géolocalisation se fait, dans ce cas, à partir de l’identifiant numérique de l’étiquette qui émet le signal dans la portée d’un lecteur dont on connait la position [34].
Par ailleurs, la revue empirique porte particulièrement sur les travaux précédemment menés au sujet de la géolocalisation animale. L’attention est portée ici sur (i) le système à base des caméras miniatures tel que proposé par Trung-Kien Dao et al [35] ; (ii) celui basé sur l’identification par radiofréquence (RFID) tel que proposé par Habib Doğan et al [36] ; et (iii) celui à système global de positionnement (GPS) tel que proposé par Brian Allan et Daniel Rubenstein [37].
La solution de Trung-Kien Dao et al [35], consiste en des vidéos caméras placées dans la ferme et connectées aux modules de traçage compressif temps réel (RTCT). Les mouvements des vaches dans la ferme sont ainsi transmis au terminal du fermier par les caméras, mais la position exacte de chaque vache est déterminée à temps réel par le RTCT associé à chaque camera. Les limites de cette solution sont cependant vites atteintes lorsqu’une vache n’est plus dans la ligne de vue d’une caméra, celle-ci ne pouvant donc pas restituer sa position au fermier.
Pour ce qui est de la solution d’Habib Doğan et al [36], elle consiste en des étiquettes ou puces RFID fixées sur les vaches et des lecteurs RFID placés sur les limites de la ferme. Lorsqu’une vache étiquetée s’approche du lecteur RFID et donc de la limite de la ferme, une alerte est envoyée et affichée dans un logiciel contrôleur sur l’ordinateur du fermier. Les faiblesses de cette solution
peuvent donc être, entre autres, l’envoi excessif des alertes qui peuvent paraître fausses car elles sont transmises avant même que la vache ne franchisse les limites de la ferme, mais aussi elle devient aussi coûteuse lorsqu’il faut placer plusieurs lecteurs RFID à l’échelle du périmètre de la ferme.
Quant au système de Brian Allan et Daniel Rubenstein [37] qui est partiellement similaire à celui proposé dans cette étude, il est composé, à la transmission, des modules GPS placés sur les vaches, et de l’application i-gotU GPS loggers à la réception, qui enregistre les mouvements détectés et les affiche sur une mappe en ligne.
Originalité du travail
Les solutions technologiques sus-présentées marcheraient s’il s’agissait du cas d’un éleveur autonome, assumant à la fois la fonction du fermier et du décideur de la vie de la ferme. Cette étude se démarque de celles menées précédemment du fait qu’elle traite du cas de toute une organisation caractérisée par l’hétérogénéité spatiale entre plus d’une ferme et le décideur. Ainsi, grâce à la solution proposée, la distance entre le système opérant et le système décisionnel n’aura plus d’effet considérable sur la prise des décisions liées à la vie des fermes. En effet, l’application web proposée reposera sur une base de données distribuée à laquelle le décisionnel et l’opérant pourront, chacun en ce qui le concerne, accéder aux informations de l’activité, quel que soit le lieu, avec possibilité de ressortir automatiquement les statistiques de l’activité en tableau de bord. En plus, l’étude se base sur une approche de l’internet des objets et du réseau de capteurs combinant à la fois les technologies de géolocalisation et de la surveillance santé des bovins.
Outils matériels et logiciels du travail
L’environnement matériel de la solution proposée est constitué de l’infrastructure électronique qui compose son bloc de transmission. Ses composants sont (i) un capteur DHT11 pour la détection de la température et l’humidité corporelles de la vache ; (ii) un capteur NB023 pour la détection du rythme cardiaque de la vache ; (iii) un module GPS Neo-6M qui capture la position instantanée de la vache en longitude et latitude ; (iv) un microcontrôleur NodeMCU ESP8266 de la famille Arduino, qui reçoit en amont les signaux des capteurs, les traite, puis les transmet en aval sous forme d’informations au serveur grâce au module Wi-Fi ESP8266 qu’il embarque ; et (iv) des câbles pour relier les différents détecteurs au microcontrôleur.
Le choix de ces outils qui fonctionnent tous avec une tension de 3 à 5 volts, est respectivement justifié par les faits que (i) le DHT11 est moins coûteux et supporte des températures allant de 0 à 50°C, et donc suffisantes pour les vaches ; (ii) le NB023 offre nettement une facilité et rapidité d’obtenir des lectures d’impulsions fiables ; (ii) le NEO-6M GPS est muni d’une antenne en céramique de 25x25x4
millimètres qui offre une capacité de recherche par satellite puissante, et contient une pile de sauvegarde des données en cas de rupture de l’alimentation principale ; et (iv) le NodeMCU8266 reste moins encombrant que les autres cartes de la famille Arduino et intègre déjà un module Wi-Fi (besoin n’est plus d’utiliser un module Wi-Fi à part pour la transmission des données).
Quant à l’environnement logiciel, il comprend les plateformes de programmation et les cadriciels de développement de l’application web. Cette application web est une architecture en deux briques interfacées grâce à la librairie Axios qui joue d’interface de programmation applicative (API)2, centralisant les services partagés entre elles.
La première brique, qui est dite le backend, est une application qui s’exécute du côté serveur. Elle est développée en utilisant deux principales multiplateformes. Dans un premier temps, la multiplateforme Arduino IDE, qui est un environnement de développement intégré, à noyau Java, comprenant un éditeur et un compilateur de code source, utilisant le langage C++ pour programmer des modules Arduino et leurs interfaces [38]. En deuxième lieu, la multiplateforme Laragon Lite qui est un environnement portable, isolé, rapide et puissant de développement des applications web en local, tournant sous Windows [39]. Ce second environnement inclut plusieurs outils, notamment le serveur web Apache HTTP qui fournit des pages web aux navigateurs, le langage de programmation PHP pour la production du code source et le serveur de base de données MySQL pour la gestion de la base de données supportant l’application proposée.
La seconde brique, appelée le frontend, s’exécute du côté client. Elle est développée en utilisant le framework Quasar, qui est un ensemble très complet de composants structurels basés sur Vue.js. Il permet de développer des applications responsives sous plusieurs formats (mobile, bureau, web progressive, web en simple page) avec le même code source [40]. La solution choisie dans le cadre de cette étude consiste en la technologie d’application web en simple page (SPA)3.
2 Initiales d’Application Programming Interface, un API est une architecture constituée d’un ensemble de fonctions facilitant l’interfaçage d’applications en leur permettant d’échanger des données et des services [56].
3 La technologie des applications en simple page, ou en anglais single page applications (SPA), est une architecture de développement de frontend en une seule page html contenant plusieurs composants et dont le contenu change en fonction des actions de l’utilisateur [57].
Description et justification de l’approche méthodologique
Méthode d’interpolation
L’interpolation est une méthode de l’analyse numérique dont le problème consiste à trouver une fonction f aussi simple que possible qui soit l’expression exacte ou approchée d’une fonction inconnue y = f (x) définie sur un intervalle [a, b] de l’ensemble ℝ, et dont on connaît les coordonnées de quelques points [41].
Dans le cadre de cette étude, l’application de cet algorithme consistera à trouver, par les différences divisées ou rapports d’accroissements, un polynôme dit de Newton, qui puisse exprimer la variation de la production bovine en fonction du temps. Ainsi, le temps en nombre d’années est la variable notée par x et la production en nombre de vaches est la fonction notée par f (x) dans ce polynôme.
Méthode de processus unifié rationnel
La méthode de processus unifié rationnel (RUP) est une instanciation de la méthode de processus unifié (UP). Elle est une méthode d’analyse informatique et de développement logiciel présentant un avantage particulier de s’intéresser à répondre rapidement aux besoins des clients dans les délais impartis et le respect des budgets, d’où le qualificatif rationnel [42].
La démarche RUP se fait en quatre phases ou cycles d’évolution, à l’intérieur desquelles sont dispatchées les différentes activités à accomplir par le développeur. La première phase est la phase de démarrage ou de création. Cette phase englobe les activités de définition de l’objectif du projet, d’identification des acteurs, de planification et d’évaluation du risque. La deuxième phase est celle d’élaboration. Elle porte sur la spécification des besoins. La troisième phase est celle de construction qui s’intéresse à la production du produit et à la documentation support. La quatrième phase est enfin celle de transition qui est consacrée au test du système, à la correction, au déploiement et à la formation des utilisateurs [42]. RUP utilise les diagrammes du langage de modélisation unifié (UML) pour décrire et modéliser la structure et le comportement du système étudié [43].
Le système proposé dans cette étude reposant sur l’interconnexion et la communication en temps réel de différents composants pouvant prendre des états divers et actionnés par des acteurs divers, le choix de cette démarche se justifie, non seulement par des contraintes temporelles et budgétaires de ce projet, mais également par son caractère unifié des acteurs et interactif des composants, notamment à travers les diagrammes de cas d’utilisation, de composants et d’états-transition que propose son langage de description.
Méthode expérimentale
Le sujet ne créant pas nécessairement la réalité, il n’y accède qu’à travers des théories. La méthode expérimentale consiste en des expériences portant le statut d’un rapport à une extériorité, pour précautionner les erreurs pouvant résulter du maniement des faits et des théories [44].
Dans le cadre de cette étude, des expériences s’avèrent ainsi nécessaires. Elles consisteront en trois étapes. Tout d’abord un réseau Wi-Fi sera créé, auquel seront connectés (i) l’ordinateur sur lequel l’application web tourne en serveur local (à utiliser comme poste de travail du Préposé à l’élevage) ;
(ii) l’ordinateur représentant le poste de travail de l’Administrateur général ; (iii) le téléphone portable représentant le poste de travail du fermier ; et (iv) le système embarqué de la solution proposée. Ensuite les différentes ressources d’élevage (fermes, fermiers, vaches, productions laitières) seront répertoriées dans la base de données à travers l’interface graphique de l’application web. Enfin, le système embarqué de la solution proposée sera placé sur une vache (à choisir dans chacune des fermes) présentant les signes soit de température ou humidité corporelles anormales ou encore une fréquence cardiaque en dehors de l’intervalle requis, pour observer si la transmission des alertes des troubles sanitaires vers l’application web à l’adresse IP de l’hôte serveur sera effective, et si la géolocalisation de la vache sera envoyée et affichée sur la mappe.
Méthode comparative
La méthode comparative consiste à analyser, de manière très explicite, l’influence d’un paramètre sur la variation des résultats. Il s’agit donc d’une démarche qui permet de décider si oui ou non faudra-t- il appliquer une solution proposée à partir de l’analyse de ses résultats [45].
Après expérimentation, la question restera ici de tirer conclusion de l’utilisation de la solution proposée, c’est-à-dire, l’influence qu’elle aura en termes de performances sur les conditions de travail des fermiers, sur l’optimisation des résultats de l’élevage et sur la prise des décisions, par le biais d’une comparaison explicite entre la période d’avant son application et celle d’après.
Méthode de points de fonction
La méthode de points de fonction, standardisée par la norme ISO de l’organisation internationale Groupe de point de fonction utilisateur (IFPUG), consiste à mesurer la taille des développements et des applications informatiques en quantifiant les fonctionnalités offertes aux utilisateurs [46].
Contrairement aux autres méthodes d’estimation du coût d’un logiciel, notamment la méthode COCOMO (Constructive Cost Model), qui valorisent les applications en comptant les lignes de code des programmes développés, la méthode de points de fonction trouve un avantage particulier du fait
qu’elle valorise les applications en ne mesurant que leur périmètre fonctionnel, c’est-à-dire en ne prenant que les données et les fonctions liées aux besoins métiers des utilisateurs, à partir de la modélisation logique et des spécifications fonctionnelles [46]. Ce qui justifie son choix dans cette étude. L’application de cette méthode sera détaillée dans la section dédiée à l’estimation du coût du projet au quatrième chapitre.
Bilan du chapitre
Les différentes technologies de surveillance en élevage bovin revues dans ce chapitre ont permis de cadrer cette étude dans son état de l’art et d’en sortir l’originalité. Mais il a fallu adopter une approche méthodologique. Les démarches d’interpolation, de processus unifié rationnel ayant UML pour langage de description, celles d’expérimentation et de comparaison, ainsi que celle de points de fonction, décrites et justifiées dans ce chapitre, ont ainsi eu le mérite d’être adoptées dans cette étude. Fort de cela, la façon dont ces différentes méthodes sont appliquées dans ce travail fait objet du chapitre suivant.
