55 min.
Sciences numériques et technologie
Seconde générale et technologique
La séance, divisée en trois moments, permet d’étudier la géolocalisation des tortues marines par trilatération grâce au système de télécommunication LoRa (Long Range, « longue portée »).
L’élève s’approprie le sujet en s’appuyant sur une animation pour comprendre l’intérêt scientifique et technologique du projet IoT (Indian Ocean sea Turtles). Ensuite, la manipulation d’une carte interactive lui permet de découvrir en autonomie ce principe de géolocalisation novateur. Enfin, une restitution écrite et orale formalise les notions rencontrées.
Auteur : William Labanne, Lycée Dumont-d’Urville, Toulon
Mots-clés :
tortue marine / géolocalisation / cartographie numérique / missionocéan3d / transmission de données
Découverte
20 minEn ligne – Rechercher
Activité de l’élève
L’élève va consulter l’animation « Géolocalisons les tortues marines ! ». La première partie permet de donner le contexte scientifique de l’étude. Cette phase permet aux élèves de s’approprier le contexte du sujet et de comprendre les enjeux de la mission IoT.
Consigne
A partir de l’animation « Géolocalisons les tortues marines ! », répondez aux questions suivantes :
- Où se situe l’un des principaux sites de reproduction au monde de tortues marines ?
- Pourquoi est-il important de localiser les tortues ?
- Comment étudie-t-on les déplacements des tortues ?
- Comment la communication s’effectue-t-elle sur l’île ?
- Expliquez le principe de fonctionnement du dispositif utilisé.
Géolocalisons les tortues marines !
Les scientifiques ont besoin de connaître les positions des tortues juvéniles qui restent plusieurs années autour de l’île Europa et son lagon. Ces informations vont les aider à mieux comprendre leurs habitats de repos, leur alimentation et comment elles vont évoluer avec le changement climatique. En cas de pollution en mer qui atteindrait les côtes d’Europa, ces données pourraient aussi être utiles pour les gestionnaires afin de protéger certaines zones en urgence et d’épargner les espèces protégées.
Rôle de l’enseignant
Les élèves consultent l’animation en autonomie, en étant un ou deux par poste informatique. Ils rédigent leurs réponses sur une feuille à partir des informations fournies. L’enseignant s’assure que l‘exploitation de la première partie de l‘animation permet aux élèves une bonne appropriation du cadre de l‘étude et peut donner des précisions sur les objectifs de la mission en fonction des questions posées.
Production attendue
Réponses aux questions :
- L’un des principaux sites de reproduction de tortues marines est l’île Europa situé dans l’Océan Indien, entre le canal du Mozambique et Madagascar.
- Les tortues marines sont des espèces menacées. Il est important de les protéger. Il faut donc les localiser afin d’étudier leurs comportements (où se nourrissent-elles ? où pondent-elles leurs œufs ?).
- L’étude du déplacement des tortues est possible grâce aux balises de nouvelles générations, utilisant la technologie LoRa, fixées sur leurs carapaces qui émettent des signaux radios.
- La communication sur l’île s’effectue grâce au système de télécommunication LoRa sans fil, basse consommation et à longue portée.
- Lorsque les tortues ne sont pas dans l’eau, des signaux radio sont émis par la balise et reçus au niveau d’un ensemble de stations de réception positionné sur l’île. Les données sont ensuite transmises grâce à une passerelle LoRa qui les envoie à un serveur pour être analysées par les scientifiques.
Investigation
20 minTravaux pratiques – Expérimenter
Activité de l’élève
L’élève va utiliser la carte interactive pour géolocaliser trois tortues par trilatération. Une description de la procédure est fournie dans l’animation contribuant à l’appropriation du principe de positionnement par l’élève. Il doit sélectionner une station de réception (passerelle LoRa) et extraire les valeurs de RSSI mesurées pour en déduire la distance entre la balise et la station (passerelle) permettant de tracer un cercle. Ce travail doit être effectué pour chacune des 3 stations, pour en déduire une zone d’intersection des cercles correspondant à la position de la balise et donc de la tortue. L’élève est guidé pour localiser la tortue nommée IOT_Sun Hélios. Il doit ensuite positionner seul les deux autres tortues : IOT_18 Kelonito et IOT_16 Salsola.
Consigne
En utilisant la carte interactive, déterminez la position des trois tortues nommées IOT_Sun Hélios (tortue verte), IOT_18 Kelonito (tortue rouge) et IOT_16 Salsola (tortue bleue).
Rôle de l’enseignant
L’élève peut travailler en autonomie. L’enseignant vérifie que chaque binôme parvient à positionner correctement les tortues. Dans le cas contraire, il peut réexpliciter le principe de géolocalisation utilisé.
Conseil à l’enseignant
Compléments scientifiques :
La méthode de positionnement utilisant le niveau RSSI (Received Signal Strength Indication) repose sur la mesure de la puissance du signal radio reçu entre un émetteur et un récepteur. Plus le signal est fort, plus l’émetteur est proche du récepteur. Le RSSI est mesuré en dBm. Sa valeur est négative. Plus le chiffre est proche de 0, meilleur est le signal. Si RSSI = – 30 dBm : le signal est fort. Si RSSI = – 120 dBm : le signal est faible. La valeur du RSSI a en moyenne une évolution prédictible en fonction de la distance. Ainsi, la relation RSSI = f(distance) peut être approchée par une fonction connue que l’on peut définir mathématiquement et implémenter dans un programme. Les coefficients et constantes des fonctions sont propres à chaque passerelle. La fonction RSSI = – 28 log (d) – 10 a été choisie dans l’animation en cohérence avec les données utilisées par les chercheurs.
En combinant les mesures de distance estimées entre l’émetteur et plusieurs récepteurs, on peut effectuer une trilatération pour estimer la position de l’émetteur. Cela consiste à calculer le point où les distances estimées convergent, en tenant compte des mesures de chaque récepteur.
Cependant, la précision de cette méthode peut être affectée par des obstacles physiques ou des interférences radio. Elle est utile dans des environnements où le GPS n’est pas disponible ou efficace, comme à l’intérieur des bâtiments ou dans des zones reculées.
Remarque : au collège, les élèves ont étudié la triangulation en mathématiques. Celle-ci repose sur la mesure des angles, tandis que la trilatération est fondée sur la mesure des distances.
Bilan
15 min En collaboration – Communiquer
Activité de l’élève
Chaque élève rédige individuellement la réponse à la question posée. Ensuite, 2 ou 3 élèves proposent leurs réponses à l’ensemble du groupe pour une mise en commun. À partir de cette restitution, le professeur dicte une synthèse des propositions obtenues.
Consigne
À partir de l’étude menée dans l’étape Investigation de cette séance, expliquez par écrit le principe de la géolocalisation par trilatération.
Rôle de l’enseignant
L’enseignant peut passer dans les rangs pour aider les élèves à formaliser une réponse écrite précise avec un vocabulaire adapté. Il anime ensuite les échanges dans la classe et aide à la reformulation pour converger vers une réponse satisfaisante qui constituera une trace écrite synthétisant les notions importantes de la séance.
Conseil à l’enseignant
Remarque : dans l’animation, l’élève peut modifier la position des antennes, ce qui permet de mettre en évidence l’importance du choix de leur localisation. Pour optimiser la géolocalisation par trilatération, il est essentiel de disperser les antennes réceptrices pour obtenir une couverture uniforme, tout en maintenant une distance suffisante entre elles et en formant des angles larges pour améliorer la précision. Il est également important d’éviter la présence d’obstacles qui pourraient interférer avec les signaux et de placer les antennes en hauteur pour augmenter la portée. Enfin, l’ajout d’antennes supplémentaires permet de confirmer et d’affiner le positionnement.
Production attendue
Pour géolocaliser un objet à l’aide de signaux radio, on utilise le principe de la trilatération. Cela consiste à mesurer des distances depuis différentes antennes en se basant sur la puissance du signal reçu (RSSI). En trouvant l’intersection des cercles formés à partir de ces distances, on peut estimer la position de l’émetteur. Cette technique est fréquemment employée dans les systèmes de localisation, comme le GPS, qui utilisent plusieurs antennes pour améliorer la précision. La qualité des mesures et le nombre d’antennes influent sur la précision globale de la méthode. Grâce à l’utilisation de balises innovantes, les chercheurs en écologie marine étudient les déplacements des tortues marines, ce qui contribue à préserver ces espèces en voie de disparition.
Conclusion
À la fin de la séance, les élèves ont acquis des connaissances clés. Ils comprennent l’importance de l’île Europa en tant que site de reproduction des tortues marines en danger. L’étude des comportements de ces espèces est cruciale pour leur préservation. Les balises innovantes, utilisant LoRa, facilitent la localisation des tortues, émettant des signaux radio captés par des stations de réception sur l’île. Ces données sont ensuite analysées après transmission à un serveur. La méthode de géolocalisation par trilatération a été explorée, soulignant l’importance du nombre d’antennes et de la qualité des mesures. Les élèves comprennent le rôle essentiel de ces balises dans la recherche en écologie marine, contribuant à la sauvegarde des tortues marines menacées. Ouvertures possibles : Une fois les positions des tortues trouvées, il est possible de récupérer les coordonnées géographiques correspondantes et de les exploiter pour créer une carte numérique personnalisée en langage Python en utilisant OpenStreetMap. Une fois que les élèves auront étudié le principe de géolocalisation avec le système LoRa puis par GPS, il est possible de synthétiser leur travail en proposant la réalisation d‘un tableau récapitulatif permettant de comparer les deux méthodes de positionnement.
