Algerian Desert Agriculture-related Data Collection Using IoT: El Oued Region as a Use Case

Abstract

Agricultural monitoring in Saharan environments presents challenges that distin- guish it from conventional farming contexts: intermittent electrical supply, unreliable Internet access, extreme thermal conditions, and the practical difficulty of reaching dis- persed field plots between observation cycles. For alfalfa cultivation specifically, these constraints are compounded by the absence of IoT monitoring systems designed for this crop in Saharan agricultural settings and by a recurring limitation identified across re- viewed works: the conflation of the time of data upload with the time of measurement, which undermines the traceability of any time-series analysis. This thesis presents the design and implementation of an IoT-based monitoring and deterministic agronomic analytics platform for alfalfa cultivation in the El Oued region of Algeria. The system consists of three embedded sensor nodes communicat- ing over a 433 MHz LoRa wireless link within a structured ten-minute superframe. The MAIN gateway node coordinates reception, maintains an authoritative DS3231 real-time clock, and persists all measurements locally on an SD card independent of network availability. Node2 acquires soil moisture, temperature, and electrical con- ductivity at a second irrigation pivot via RS485/Modbus; Node3 acquires atmospheric temperature, humidity, and pressure. Data transfer follows an offline-first model: ac- cumulated SD records are stored locally and uploaded in batches to a cloud backend through a manual upload process when Internet access becomes available and upload is required. Eight firmware operating modes address the specific constraints of the deployment, including a recovery mechanism that corrects timing drift causing persis- tent communication failure, and power-saving strategies that extend battery autonomy through deep sleep and relay-controlled sensor power. The backend, built with Node.js and PostgreSQL, enforces a strict policy sep- arating the RTC-derived measurement timestamp (measured_at) from the upload re- ceipt time, which is stored exclusively as transfer audit metadata. A React dashboard presents sensor trends, agronomic events, and the output of a ten-stage deterministic quality-control and reliability-scoring pipeline. AI-assisted interpretation is provided through a backend-proxied Gemini interface subject to six architectural constraints that prevent the model from computing primary analytics or modifying stored data. The final validated export covers the deployment window from 2026-05-12 to i 2026-05-25 and contains 3,164 sensor readings across three nodes and 18 completed up- load sessions all reaching processed status. These results demonstrate the functional feasibility of the end-to-end architecture within the scope of the deployment window; full-season agronomic validation and reliability threshold calibration constitute priori- ties for future work.عدّ الرصد الزراعي في البيئات الصحراوية تحدياً متعدد الأوجه يختلف جوهرياً عن سياقات الزراعة التقليدية؛ إذ تتسم هذه البيئات بانقطاع التيار الكهربائي، وعدم استقرار الاتصال بالإنترنت، وقسوة الظروف الحرارية، فضلاً عن صعوبة الوصول المنتظم إلى القطع الزراعية المتفرقة. وفيما يخص زراعة الفصة (الألفالفا) تحديداً، تتفاقم هذه القيود بسبب شُح أنظمة مراقبة إنترنت الأشياء المُصمَّمة خصيصاً لهذا المحصول في السياق الصحراوي الجزائري، إضافةً إلى قصور متكرر تم رصده في الأعمال العلمية المُراجَعة، يتمثل في الخلط بين توقيت رفع البيانات وتوقيت قياسها الفعلي، مما يُضعف موثوقية أي تحليل زمني مبني على هذه البيانات.

تقدم هذه الرسالة تصميم وتنفيذ منصة متكاملة لرصد الزراعة الذكية وتحليلها الحتمي، مُطبَّقة على زراعة الفصة في منطقة الوادي بالجزائر. يتكون النظام من ثلاث عقد مدمجة تتواصل عبر ارتباط لاسلكي LoRa على تردد 433 ميغاهرتز وفق إطار زمني دوري مدته عشر دقائق. تتولى العقدة البوابة الرئيسية (Gateway Node) تنسيق استقبال الحزم، والحفاظ على توقيت مرجعي دقيق عبر ساعة الوقت الحقيقي DS3231، وتخزين جميع القياسات محلياً على بطاقة ذاكرة SD بمعزل عن توفر الشبكة. تجمع العقدة الثانية (Node 2) بيانات رطوبة التربة ودرجة حرارتها وموصليتها الكهربائية (EC) عند محور الري الثاني عبر بروتوكول RS485/Modbus، بينما ترصد العقدة الثالثة (Node 3) درجة الحرارة، والرطوبة النسبية، والضغط الجوي. ويعتمد نقل البيانات مبدأ الأولوية المحلية (Offline-First)، إذ تُراكَم السجلات على بطاقة الذاكرة وتُرسَل عبر دفعات إلى الخادم البعيد يدويا حين توفر اتصال الإنترنت.

تُعالج ثمانية أوضاع تشغيلية للبرنامج الثابت (Firmware) قيود الميدان المحددة، من بينها: آلية استرداد تُصحح الانجراف الزمني المسؤول عن أعطال الاتصال المتكررة، وأوضاع توفير الطاقة التي تُطيل عمر البطاريات عبر النوم العميق (Deep Sleep) والتحكم في تغذية الحساسات بواسطة المرحّلات (Relays). يُطبّق الخادم الخلفي (Backend) المبني على Node.js وقاعدة بيانات PostgreSQL سياسةً صارمة تفصل الختم الزمني المستمَد من ساعة الوقت الحقيقي (measured_at) عن توقيت استقبال الرفع، المحفوظ حصراً بوصفه سجلاً تدقيقياً (Audit Log). يعرض لوح التحكم (Dashboard) المبني بإطار React اتجاهات الحساسات والأحداث الزراعية ونتائج خط أنابيب تحليلي حتمي من عشر مراحل يشمل ضبط الجودة وتقييم الموثوقية. ويعمل نظام التفسير المستند إلى الذكاء الاصطناعي (Gemini) عبر وسيط خلفي خاضع لستة قيود معمارية تحول دون قيامه بحسابات التحليل الأولية أو تعديل البيانات المخزنة.

تُغطي صادرة التحقق النهائية الفترة الممتدة من 12 مايو 2026 إلى 25 مايو 2026، وتحتوي على 3164 قراءة استشعارية موزّعة على العقد الثلاث، فضلاً عن 18 جلسة رفع أُنجزت جميعها بالكامل. تُثبت هذه النتائج الجدوى الوظيفية للمعمارية الشاملة في إطار نافذة النشر؛ في حين يُعد التحقق الموسمي الكامل ومعايرة عتبات الموثوقية أولوياتٍ للأعمال البحثية المستقبلية.