Design and prototyping of a complete system for grain monitoring in storage silos

This thesis deals with new monitoring technologies applied to grain storage in silos. Since the first sedentary groups, cereals have been representing the main population and livestock’s staple food. Harvests are seasonal and their storage is therefore a vital necessity for the world’s population that will count 9 billion in 2050 compared to 7.3 billion today. In this problematic around monitoring of silos, insects represent the first grain postharvest pest causing considerable losses, in some cases up to 10% of the production. Several techniques and methods have been developed and implemented in order to face the danger of these pests. The most common method is the use of synthetic chemical insecticides, which have an obvious negative effect on both human health and the environment. This work is part of a cooperative program named ECOSILO, whose main objective is to design and prototype ecological alternatives to the systematic and massive use of insecticides. This is therefore a largely multidisciplinary approach, in which we were in charge to conceptualize a comprehensive monitoring system to: provide an earlier detection of infestations and put in place an automatic control of the attractive and insecticides diffusion. Our proposal is based on a logic of integrated pest management (IPM) and focuses on the prevention and early detection of possible infestations, in order to preserve stocks and avoid reaching high level of economic loss. Its fundamental originality lies in the proposition of a predictive model of the infestation development, which consists of coupling a thermal model of the silo with a biological model describing the insect’s growth. It is thus possible, with the support of additional meteorological data, to anticipate the development of insects and to initiate preventive alarms. This solution is accompanied by more specific electronic and computer monitoring developments in silos which are: A detection system at the entrance of silos; A supervision of the top of the hottest heap of grain; A monitoring of the heap of grain in its entire height. These developments are implementing multiple detection modes (temperature, humidity, acoustic probe, CO2). All these technical contributions are incorporated in the form of a comprehensive monitoring system equipped with a user interface that meets the requirements of the overall project ECOSILO. The functional checks have been performed in the laboratory and on real site. We conclude on the perspectives opened by this work.; Cette thèse traite des nouvelles technologies de surveillance appliquées au stockage des grains en silos. Les céréales représentent depuis les premiers regroupements sédentaires l’aliment principal pour l’Homme comme pour le bétail. Les récoltes sont saisonnières et leur stockage est donc une nécessité vitale pour une population mondiale qui compte actuellement 7,3 Mds d'habitants et qui en comptera 9 Mds en 2050. Dans cette problématique autour de la surveillance des silos, les insectes représentent les premiers ravageurs de grain après récolte, ce qui entraîne des pertes considérables pouvant atteindre dans certains cas jusqu’à 10% de la production. Plusieurs techniques et méthodes ont été développées et mises en pratique afin de faire face au danger que représentent ces ravageurs. La méthode la plus répandue est l’utilisation des insecticides chimiques de synthèse dont la dangerosité, impactant tant sur la santé humaine que sur l'environnement, est plus qu'évidente. Ce travail de thèse s'inscrit dans un programme coopératif, nommé ECOSILO, dont l'objectif majeur est de concevoir et de prototyper des solutions alternatives écologiques à l'utilisation systématique et massive de produits insecticides. Il s'agit donc d'une démarche largement pluridisciplinaire dans laquelle nous avons eu en charge d'imaginer un système complet de surveillance : détection au plus tôt des infestations et commande automatique de la diffusion d'attractifs puis d'insecticides. Notre proposition est fondée sur une logique de protection intégrée et privilégie la prévention et la détection précoce d'éventuelles infestations, ce afin de préserver les stocks et d'éviter d'atteindre un stade de perte économique trop élevé. Son originalité fondamentale réside dans la proposition d'un modèle prédictif du développement de l'infestation qui consiste à coupler un modèle thermique du silo avec un modèle biologique décrivant la croissance des insectes. Il est ainsi possible, avec l'appui de données complémentaires météorologiques, d'anticiper le développement des insectes et de lancer des alarmes préventives. Cette solution est accompagnée de développements électroniques et informatiques plus spécifiques de la surveillance continue des silos : un système de détection à l'entrée des silos ; une surveillance sur la partie haute du tas de grain la plus chaude ; une surveillance du tas de grains dans toute sa hauteur. Ces développements mettent en oeuvre des modes de détections multiples (température, humidité, sonde acoustique, CO2). Toutes ces contributions techniques sont intégrées sous la forme d'un système complet de surveillance équipé d'une interface utilisateurs qui répond aux exigences du projet global ECOSILO. Les vérifications fonctionnelles ont été réalisées en laboratoire et sur site réel. Nous concluons sur les perspectives ouvertes par ce travail.