Quand la récupération d'énergie est indispensable : LoRaWAN dans la détection ultra-précoce des feux de forêt

Par Dániel Hollós, Pedro Silva, Carsten Brinkschulte – Dryad Networks

Détection précoce des incendies de forêt avec LoRaWAN

LoRaWAN est largement reconnu pour sa conception de communication à très faible consommation d'énergie, en particulier en mode Classe A. Cependant, de nombreux appareils IoT déployés dans la réalité doivent alimenter des périphériques gourmands en énergie, allant des capteurs de gaz à oxyde métallique aux détecteurs de particules, en passant par les actionneurs. Ces composants consomment beaucoup plus d'énergie que la transmission sans fil elle-même.

Le défi s'accroît avec l'introduction de fonctionnalités avancées telles que la mise à jour du micrologiciel par voie hertzienne (FUOTA). La FUOTA nécessite une utilisation prolongée de la radio, en particulier en mode Classe C, qui consomme beaucoup plus d'énergie que le mode Classe A. Sur les appareils traditionnels alimentés par batterie, ces opérations doivent être rares et strictement contrôlées.

La récupération d'énergie change ce paradigme. Elle permet aux appareils IoT de faire fonctionner de manière durable des capteurs puissants et des fonctions réseau avancées, sans compromettre leur durée de vie opérationnelle.

Capteurs solaires pour la détection des incendies de forêt

Dryad Networks, dont la mission est de détecter les incendies de forêt à un stade très précoce, en fournit un exemple concret. L'entreprise déploie un réseau de capteurs et de passerelles LoRaWAN alimentés par énergie solaire, capable de fonctionner de manière autonome pendant plus de 10 ans.

• Le défi : les capteurs de détection d'incendie consomment jusqu'à 100 fois plus d'énergie que l'envoi d'un message LoRaWAN. Le recours à des batteries fixes ou remplaçables rendrait les appareils peu pratiques, lourds, coûteux ou inadaptés à l'environnement. Les batteries Li-ion inflammables, en particulier, ne sont pas une option pour les environnements forestiers.

• La solution : en intégrant la collecte d'énergie solaire, Dryad garantit un fonctionnement fiable dans les zones reculées, sans nécessiter de remplacement de batterie ni d'intervention humaine.

• L'impact : des milliers d'appareils peuvent détecter en continu les changements environnementaux, envoyer des alertes en temps réel et recevoir des mises à jour du micrologiciel par voie hertzienne, sans aucun entretien.

Pourquoi la récupération d'énergie est-elle importante ?

Dans de nombreux scénarios IoT, le principal défi énergétique ne réside pas dans la communication sans fil, mais dans les capteurs et les fonctionnalités avancées. Sans la récupération d'énergie, les concepteurs sont confrontés à des compromis difficiles entre la durée de vie des appareils, leurs fonctionnalités et leur coût.

La récupération d'énergie fournit une source d'énergie renouvelable et évolutive, permettant :

• Budgets énergétiques élargis : cycles de détection plus fréquents et fonctionnement continu des capteurs à haute puissance.

• Fonctionnalités LoRaWAN avancées : utilisation possible des fenêtres de réception de classe C, débits de données SF12 robustes et mises à jour FUOTA répétées sans épuiser les batteries.

• Durabilité environnementale : réduction de la dépendance aux batteries volumineuses et chimiquement agressives. À la place, il est possible d'utiliser des supercondensateurs et des LiCaps, qui offrent une durée de vie plus longue et sont plus sûrs pour les environnements sensibles.

• Durée de vie des appareils indépendante de la taille des batteries : les appareils ne dépendent plus de la capacité initiale de leurs batteries ; avec une alimentation constante, ils peuvent fonctionner indéfiniment.

• Évolutivité à grande échelle : permet des déploiements avec des milliers de nœuds dans des environnements inaccessibles, chacun fonctionnant de manière autonome pendant des années.

En substance, la récupération d'énergie transforme l'IoT de systèmes à court terme, limités par les batteries, en infrastructures autonomes à long terme, une condition préalable à la mise à l'échelle d'applications telles que la détection des incendies de forêt dans des régions entières.

Défis et considérations de conception

Malgré ses avantages, la récupération d'énergie introduit de nouvelles complexités. L'apport énergétique est variable : l'irradiance solaire dépend des conditions météorologiques, des saisons et de l'emplacement. Les appareils doivent donc s'adapter intelligemment en modulant leur fonctionnement en fonction de l'énergie disponible.

• Stockage et survie : les systèmes nécessitent un stockage d'énergie résilient (supercondensateurs ou LiCaps) pour compenser les périodes de faible apport.

• Cycle de service adaptatif : les appareils doivent réduire dynamiquement leurs opérations dans des conditions défavorables et maximiser leurs performances lorsque l'énergie est abondante.

• Gestion prédictive de l'énergie : les algorithmes doivent anticiper la disponibilité future, garantissant la fiabilité du système même en cas de couverture nuageuse prolongée ou de creux saisonniers.

Grâce aux progrès réalisés dans le domaine des processeurs à très faible consommation, de la gestion intelligente de l'énergie et du cycle de fonctionnement dynamique, ces défis sont de plus en plus faciles à relever. Les appareils IoT peuvent désormais fonctionner de manière résiliente et autonome, même dans des conditions variables.

Conclusion

La récupération d'énergie est en train de devenir rapidement la pierre angulaire de la conception des systèmes IoT. Associée à l'efficacité du LoRaWAN, elle permet des déploiements durables et à long terme là où les appareils traditionnels alimentés par batterie échoueraient.

L'exemple de Dryad Networks montre comment cette approche permet :

• Détection ultra-précoce des incendies de forêt grâce à des capteurs alimentés par l'énergie solaire

• Une autonomie de plus de dix ans sans maintenance

• Des déploiements évolutifs dans des forêts entières

• Des solutions de stockage d'énergie plus respectueuses de l'environnement

Pour l'IoT dans des environnements éloignés, pauvres en infrastructures ou sensibles sur le plan environnemental, la récupération d'énergie n'est pas une option, mais un élément indispensable pour garantir la résilience, la durabilité et l'évolutivité.

À propos des auteurs

Dániel Hollós, Pedro Silva et Carsten Brinkschulte travaillent pour Dryad Networks. Dryad développe des solutions de détection ultra-précoce des incendies de forêt ainsi que des technologies de surveillance de la santé et de la croissance des forêts publiques et privées.

Ce texte est basé sur l'article de la LoRa Alliance : Quand la récupération d'énergie est une nécessité.