# Surveillance environnementale des sites industriels et urbains. Utilisation de réseaux de capteurs environnementaux. Etat de l'art technico-économique

Association Record, B. Genot

► To cite this version:

Association Record, B. Genot. Surveillance environnementale des sites industriels et urbains. Utilisation de réseaux de capteurs environnementaux. Etat de l'art technico-économique. n°19-0169/1A, RECORD. 2021, pp.169. hal-05071179

HAL Id: hal-05071179

https://hal.science/hal-05071179v1

Submitted on 26 May 2025

HAL is a multi-disciplinary open access
archive for the deposit and dissemination of sci-
entific research documents, whether they are pub-
lished or not. The documents may come from
teaching and research institutions in France or
abroad, or from public or private research centers.

L'archive ouverte pluridisciplinaire HAL, est
destinée au dépôt et à la diffusion de documents
scientifiques de niveau recherche, publiés ou non,
émanant des établissements d'enseignement et de
recherche français ou étrangers, des laboratoires
publics ou privés.

<figure><img src="image_1.png" /></figure>

Distributed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License
# Surveillance environnementale des sites industriels et urbains. Utilisation de réseaux de capteurs environnementaux

## Etat de l'art technico-économique

<figure><img src="image_2.png" /></figure>
SURVEILLANCE ENVIRONNEMENTALE DES SITES
INDUSTRIELS ET URBAINS

UTILISATION DE RESEAUX DE CAPTEURS
ENVIRONNEMENTAUX

ETAT DE L'ART TECHNICO-ECONOMIQUE

RAPPORT FINAL

juin 2021

B. GENOT - OPTOMESURES

optomesures
Créée à l'initiative du Ministère en charge de l'Environnement, l'association RECORD est depuis 1989, le catalyseur d'une coopération entre industriels, institutionnels et chercheurs.

Acteur reconnu de la recherche appliquée dans le domaine des déchets, des sols pollués et de l'utilisation efficace des ressources, RECORD a comme objectif principal le financement et la réalisation d'études et de recherches dans une perspective d'économie circulaire.

Les membres de ce réseau (groupes industriels et institutionnels) définissent collégialement des programmes d'études et de recherche adaptés à leurs besoins. Ces programmes sont ensuite confiés à des laboratoires publics ou privés.

### Avertissement :

Les rapports ont été établis au vu des données scientifiques et techniques et d'un cadre réglementaire et normatif en vigueur à la date de l'édition des documents.

Ces documents comprennent des propositions ou des recommandations qui n'engagent que leurs auteurs. Sauf mention contraire, ils n'ont pas vocation à représenter l'avis des membres de RECORD.

* ✓ Pour toute reprise d'informations contenues dans ce document, l'utilisateur aura l'obligation de citer le rapport sous la référence :

**RECORD**, Surveillance environnementale des sites industriels et urbains. Utilisation de réseaux de capteurs environnementaux. Etat de l'art technico-économique, 2021, 169 p, n°19-0169/1A

* ✓ Ces travaux ont reçu le soutien de l'ADEME (Agence de la transition écologique) www.ademe.fr

### Comité de suivi de l'étude :

Jérôme ARNAUDIS - SUEZ, Rémy BAYARD - INSA DE LYON/RECORD, Caroline BOUCHET - SUEZ Solutions, Hélène BUEE - ENGIE, Adrien CAURANT - ENGIE, Bénédicte COUFFIGNAL - RECORD, Sophie COURTOIS - CIRCEE - SUEZ, Hélène DESQUEYROUX - ADEME, Yves DUCLOS - ADEME, Laurent DUPONT - SNCF, Philippe DUQUENNE - INRS, Guillaume GAY - MINISTERE DE LA TRANSITION ECOLOGIQUE, Nathalie GUISERIX - RENAULT, Michel JOUSSET - SUEZ, Catherine JUERY - TOTAL ENERGIES, Mohamed KRIMISSA - EDF, Emmanuelle OPPENEAU - SUEZ, Florent PINEAU - TOTAL ENERGIES, Thierry POLARD - SUEZ, Hélène ROUSSEL - ADEME
## RESUME

La sensibilisation croissante de la société envers les pollutions de l'air, de l'eau et des sols, et leurs enjeux sur la santé et l'environnement, entraine une forte demande de caractérisation de ces pollutions. L'arrivée des réseaux de télécommunications sans fil avec l'avènement des téléphones mobiles et depuis une dizaine d'année, le lancement de réseaux longue portée accompagnant les objets connectés (l'internet des objets, IOT), suggère l'opportunité de constituer des réseaux de capteurs environnementaux pour répondre à ce besoin accru d'analyses environnementales.
L'étude a consisté dans un premier temps à recenser et à déterminer les lois, normes, directives ou motivations diverses susceptibles d'imposer ce type de réseaux d'analyses. Une des conclusions est l'absence de notion de réseau dans la législation.

Dans un deuxième temps nous avons dressé la liste et analysé les réseaux de télécommunications existants susceptibles d'être utilisés pour surveiller l'environnement. Face à la complexité dans les choix possibles, nous avons proposés des architectures réseaux pouvant correspondre à des configurations type. Une combinaison de plusieurs réseaux nous permet de répondre à toutes les demandes : réseaux longue portée et basse consommation LORA et SIGFOX, réseaux cellulaires 3G et 4G évoluant vers la 5G, réseaux cellulaires à faible consommation LTE-M et NB-IOT, réseaux satellitaires spécialisé dans l'IOT et réseaux courte portée WIFI et BLUETOOTH.

Le traitement des données émanant des capteurs reste un challenge.

Le principal frein au développement des réseaux de capteurs environnementaux reste néanmoins la très faible disponibilité de capteurs fiables, bon marché. L'offre reste essentiellement cantonnée aux analyses de molécules simples ou de paramètres physiques plutôt que des molécules chimiques complexes. Une intensification de la recherche sur la detection de ces dernières (HAP, BTEX, perturbateurs endocriniens, pesticides) serait la bienvenue.

## MOTS CLES

Réseaux de capteurs environnementaux, IOT, objets connectés, LORA, SIGFOX, NB-IOT, LTE-M, 3G, 4G, 5G, réseaux satellitaires, normes environnementales, microcapteurs

---

## SUMMARY

The growing awareness of society regarding air, water and soil pollution, and their issues on health and the environment, leads to a strong demand for the characterization of these pollutions. The arrival of wireless telecommunications networks with the advent of mobile phones and over the last ten years or so, the launch of long-range networks accompanying connected objects and IOT (Internet of Things), suggests the opportunity to create of environmental sensor networks to meet this increased need for environmental analysis.

The study consisted initially in identifying and determining the laws, standards, directives or various motivations likely to impose this type of networks. Part of the conclusion is that there is no notion of such network in the legislation. Second, we listed and analyzed the existing telecommunications networks that could be used to monitor the environment. Faced with the complexity of the possible choices, we have proposed network architectures that can correspond to typical configurations. A combination of several networks allows us to meet all requests: long-range and low-consumption LORA and SIGFOX networks, 3G and 4G cellular networks evolving towards 5G, low-consumption cellular networks LTE-M and NB-IOT, specialized satellite networks in IOT and WIFI and BLUETOOTH short range networks.

The processing of data emanating from the sensors remains a challenge. The main obstacle to the development of environmental sensor networks remains the very low availability of reliable, inexpensive sensors. The offer which remains essentially confined to simple molecule analysis or physical parameters, rather than complex chemical molecules. More research on the detection of the last mentioned (PAHs, BTEX, endocrine disruptors, pesticides) would be welcome.

## KEY WORDS

environmental sensors, Networks, IOT, connected objects, LORA, SIGFOX, NB-IOT, LTE-M, 3G, 4G, 5G, satellite networks, environmental standards, microsensors
# SOMMAIRE

1 PREAMBULE 9

2 INTRODUCTION 10

3 ANALYSE DES BESOINS DE SURVEILLANCE ENVIRONNEMENTALE DANS LES DOMAINES DE L'EAU, DE L'AIR ET DES SOLS 12

3.1 Synthèse de la demande pour des réseaux de capteurs de qualité de l'air 13

3.2 Synthèse de la demande pour des réseaux de capteurs de qualité de l'eau 15

3.3 Synthèse de la demande pour des réseaux de capteurs de qualité des sols 15

3.4 Absence de la notion de réseaux de capteurs dans les normes, décrets, BREF 16

3.5 Enjeux de la surveillance environnementale 16

4 LA SURVEILLANCE ENVIRONNEMENTALE ACTUELLE 17

4.1 La surveillance environnementale vue du côté des industriels : 17

4.2 Surveillance environnementale dans le cadre urbain 17

4.3 La surveillance environnementale vue du côté état (enjeu sociétal) : 17

4.4 les pollutions/polluants actuellement suivis 19

4.5 Les outils actuels de surveillance : 22

4.6 Enjeux des réseaux de capteurs environnementaux 22

5 LES RESEAUX DE TELECOMMUNICATIONS 26

5.1.1 Glossaire « réseaux » 26

5.2 Préambule 27

5.3 Principe d'un réseau de capteurs 27

5.4 Protocoles 28

5.5 La sécurité des réseaux 32

5.6 Qualité de services (QoS, quality of service) 33

5.7 Maintenabilité/obsolescence/pérennité/évolutivité/saturation 33

5.8 Interfaçage des capteurs (environnementaux) 33

5.9 L'autonomie énergétique des capteurs d'un réseau 35
<table><tbody><tr><td>5.10</td><td>Les sources d'énergie possibles pour les capteurs autonomes</td><td>36</td></tr><tr><td>5.11</td><td>Les réseaux de télécommunications adaptés aux capteurs</td><td>38</td></tr><tr><td>5.12</td><td>Les typologies/scénarios réseaux proposés pour 7 configurations de sites</td><td>42</td></tr><tr><td>5.13</td><td>Exemples de modules capteurs du marché avec la fonction réseau (exemple système intérieur et extérieur)</td><td>58</td></tr><tr><td>5.14</td><td>La gestion des dispositifs (device management)</td><td>59</td></tr><tr><td>5.15</td><td>La gestion des données (data management)</td><td>60</td></tr><tr><td>6</td><td>RETOUR D'EXPERIENCES SUR LES RESEAUX SANS FIL :</td><td>61</td></tr><tr><td>6.1</td><td>Réseau LORA/LORAWAN</td><td>61</td></tr><tr><td>6.2</td><td>Réseaux cellulaires (GSM)</td><td>66</td></tr><tr><td>6.3</td><td>Quelques exemples de produits industriels</td><td>67</td></tr><tr><td>6.4</td><td>Statuts de la R&D sur les réseaux de capteurs</td><td>69</td></tr><tr><td>7</td><td>ANALYSE CRITIQUE DES DIFFERENTES SOLUTIONS PROPOSEES</td><td>70</td></tr><tr><td>7.1</td><td>Développer ou faire développer son réseau de capteurs environnementaux</td><td>72</td></tr><tr><td>8</td><td>CONCLUSIONS</td><td>74</td></tr><tr><td>9</td><td>PERSPECTIVES</td><td>75</td></tr><tr><td>10</td><td>LES SOURCES D'INFORMATIONS CONCERNANT LES RESEAUX</td><td>78</td></tr><tr><td>11</td><td>ANNEXES</td><td>83</td></tr><tr><td>11.1</td><td>Les Réseaux de transmission de données</td><td>83</td></tr><tr><td>11.1.1</td><td>La topologie des réseaux</td><td>83</td></tr><tr><td>11.1.2</td><td>Schéma de principe générique d'un réseau sans fil de capteurs</td><td>84</td></tr><tr><td>11.1.3</td><td>Les différents réseaux sans fil disponibles</td><td>86</td></tr><tr><td>11.1.4</td><td>La concurrence dans les réseaux / l'IoT</td><td>103</td></tr><tr><td>11.1.5</td><td>Les acteurs des réseaux de capteurs</td><td>104</td></tr><tr><td>11.1.6</td><td>Les réseaux filaires</td><td>117</td></tr><tr><td>11.1.7</td><td>Les réseaux satellitaires</td><td>117</td></tr><tr><td>11.2</td><td>Retours d'expériences</td><td>122</td></tr><tr><td>11.2.1</td><td>Réseaux de mesure de la qualité de l'air</td><td>122</td></tr><tr><td>11.2.2</td><td>Réseau de mesure de la qualité des eaux</td><td>130</td></tr><tr><td>11.2.3</td><td>Exemple d'un Réseau de surveillance de la qualité des cours d'eau du bassin Adour Garonne :</td><td>134</td></tr><tr><td>11.2.4</td><td>La télérelève des compteurs (eau gaz)</td><td>135</td></tr><tr><td>11.2.5</td><td>Réseaux de mesure de la qualité des sols</td><td>136</td></tr><tr><td>11.3</td><td>Gestion et traitement des données : plateformes et clouds</td><td>137</td></tr></tbody></table>
<table><tr><td>11.4</td><td>Rappels sur les ondes électromagnétiques</td><td>143</td></tr><tr><td>11.4.1</td><td>Qu'est-ce qu'une onde électromagnétique,</td><td>143</td></tr><tr><td>11.4.2</td><td>Propagation des ondes électromagnétiques</td><td>153</td></tr><tr><td>11.4.3</td><td>Normes, réglementations et groupes de travail des radiocommunications</td><td>158</td></tr><tr><td>11.5</td><td>Rappel sur les ondes sonores et ultrasonores</td><td>160</td></tr><tr><td>11.6</td><td>Exemple de devis pour la réalisation d'un réseau de capteurs par un bureau d'études</td><td>161</td></tr><tr><td>11.7</td><td>LEXIQUE RESEAU</td><td>164</td></tr></table>
## INDEX DES FIGURES

<table><tr><td>Figure 1 : schema de principe d'un réseau de capteurs sans fil (RECORD 2021)</td><td>27</td></tr><tr><td>Figure 2 diagramme OSI</td><td>29</td></tr><tr><td>Figure 3 scénario 1 : site pollué en FRANCE sans couverture LORA (Orange ou Bouygues Télécom) ou couverture LORA mais de nombreux modules capteurs (&gt; 10) (RECORD 2021)</td><td>44</td></tr><tr><td>Figure 4 scénario 1 bis : site pollué en France avec couverture LORA (Orange ou Bouygues Télécom) et peu de modules capteurs (&lt;10) (RECORD 2021)</td><td>45</td></tr><tr><td>Figure 5 scénario 2 : site pollué ou industriel mal desservi en internet ou site d'enfouissement des déchets en Europe (RECORD 2021)</td><td>47</td></tr><tr><td>Figure 6 scénario 3 : site pollué ou industriel, bien desservi en internet en Europe (RECORD 2021)</td><td>49</td></tr><tr><td>Figure 7 scénario 4 : zone d'enfouissement des déchets en Europe, Sigfox (RECORD 2021)</td><td>51</td></tr><tr><td>Figure 8 scénario 5 : zone sans aucun reseau terrestre (RECORD 2021)</td><td>53</td></tr><tr><td>Figure 9 scénario 6 : capteurs mobiles (RECORD 2021)</td><td>55</td></tr><tr><td>Figure 10 scénario 7 environnement souterrain (RECORD 2021)</td><td>57</td></tr><tr><td>Figure 11 schéma de principe d'une station extérieure de mesure de la qualité de l'air connectée (RECORD 2021)</td><td>58</td></tr><tr><td>Figure 12 schéma de principe d'une station d'analyse de l'air intérieur (record 2021)</td><td>59</td></tr><tr><td>Figure 13 : influence de l'antenne sur la portée LORA</td><td>63</td></tr><tr><td>Figure 14 : projet Mind4Stormwater : schéma simplifié du réseau de capteurs</td><td>66</td></tr><tr><td>Figure 15 schéma générique d'un réseau de capteurs</td><td>85</td></tr><tr><td>Figure 16 comparaison LTE-M vs NB-IOT</td><td>88</td></tr><tr><td>Figure 17 documentation Orange business services</td><td>90</td></tr><tr><td>Figure 18 réseau, document Objenious</td><td>91</td></tr><tr><td>Figure 19 passerelle LORA 1 canal (300 capteurs connectables) vers internet (50 €)</td><td>94</td></tr><tr><td>Figure 20 schéma de principe de la passerelle</td><td>94</td></tr><tr><td>Figure 21 passerelle LORA</td><td>94</td></tr><tr><td>Figure 22 schématique du module LORA/SIGFOX de MURATA (CMWX122ABZ)</td><td>95</td></tr><tr><td>Figure 23 module multi protocoles de PYCOM</td><td>95</td></tr><tr><td>Figure 24 Document extrait de la page de STMicroelectronics sur W M BUS</td><td>99</td></tr><tr><td>Figure 25 schéma de principe d'un microcontrolleur transmetteur de TI, le CC1310</td><td>100</td></tr><tr><td>Figure 26 les briques structurelles de l'IOT (extrait du site RS)</td><td>108</td></tr><tr><td>Figure 27 extraite du site de ATMO France</td><td>125</td></tr><tr><td>Figure 28 copie d'écran du portail sur la qualité des eaux souterraines</td><td>133</td></tr><tr><td>Figure 30 architecture d'un réseau utilisant le logiciel ThingPark Enterprise (device management)</td><td>140</td></tr><tr><td>Figure 31 architecture plateforme PCVUE</td><td>140</td></tr><tr><td>Figure 32 exemple de cone d'émission d'une antenne</td><td>149</td></tr></table>

## INDEX DES TABLEAUX

<table><tr><td>Tableau 1 les besoins de mesurer la pollution peuvent être classifiés selon les objectifs suivants (RECORD 2021):</td><td>12</td></tr><tr><td>Tableau 2 polluants suivis dans l'air (RECORD 2021)</td><td>19</td></tr><tr><td>Tableau 3 polluants suivis dans l'eau (RECORD 2021)</td><td>19</td></tr><tr><td>Tableau 4 polluants rencontrés dans les sols (RECORD 2021)</td><td>20</td></tr><tr><td>Tableau 5 trame d'un message fictif</td><td>26</td></tr><tr><td>Tableau 6 comparaison modèle OSI vs TCP/IP</td><td>31</td></tr><tr><td>Tableau 7 : réseaux pouvant constituer des réseaux de capteurs (RECORD 2021)</td><td>39</td></tr><tr><td>Tableau 8 prix estimatif d'une station de mesure extérieure (hors capteurs)</td><td>59</td></tr><tr><td>Tableau 9 prix estimatif d'une station d'analyse intérieur (hors capteurs)</td><td>59</td></tr><tr><td>Tableau 10 portée fonction de la hauteur des antennes</td><td>71</td></tr><tr><td>Tableau 11 le nombre d'antennes GSM en France par opérateurs</td><td>86</td></tr><tr><td>Tableau 12 : exemples de capteurs environnementaux "basique"</td><td>105</td></tr><tr><td>Tableau 13 liste des plus gros microelectroniciens et leur implication dans l'IOT</td><td>106</td></tr><tr><td>Tableau 14 liste des principaux fabricants de modules pour réseaux sans fil</td><td>107</td></tr><tr><td>Tableau 15 comparatif integrateurs/distributeur/architectes chaine IOT complete ou partielle (RECORD 2021)</td><td>116</td></tr><tr><td>Tableau 16 propriétés des différents réseaux sans fil (RECORD 2021)</td><td>119</td></tr><tr><td>Tableau 17 les missions de COPERNICUS</td><td>127</td></tr><tr><td>Tableau 18 exemples de plateformes IOT</td><td>138</td></tr></table>
Définitions des termes employés dans le document

<table><tr><td>capteur</td><td>élément sensible qui transforme une grandeur physique ou chimique en signal électrique</td></tr><tr><td>microprocesseur</td><td>composant electronique sur une puce de silicium muni de fonctions de calcul, et d'entrée/sorties multiples</td></tr><tr><td>microcontrolleur</td><td>microprocesseur avec une fonction spécifique de calcul</td></tr><tr><td>module</td><td>ensemble de composants electroniques montés sur un circuit imprimé pouvant réaliser des fonctions sophistiquées (calculs, emetteur/recepteur etc)</td></tr><tr><td>module capteur</td><td>module sur lequel on a raccordé, en interne ou en externe du boitier, un ou plusieurs capteurs</td></tr><tr><td>analogique</td><td>signal électrique qui peut prendre toute valeur discontinue</td></tr><tr><td>Signal digital ou numérique</td><td>signal qui ne prend que 2 valeurs : 0 ou 1</td></tr><tr><td>SOC</td><td>systeme on chip : en général un microprocesseur muni d'un transmetteur RF (raiofréquence)</td></tr><tr><td>entrées/sorties</td><td>connexions physiques (plots à souder ou à visser) permettant de communiquer avec un composant electronique</td></tr><tr><td>transmetteur</td><td>Puce électronique qui envoit ou reçoit des signaux électriques via une antenne</td></tr><tr><td>Système embarqué</td><td>Système électronique et informatique autonome qui assure une fonction spécifique (un gps portable, un calculateur automobile, un drone etc)</td></tr></table>
# 1 Preambule

L'objet de l'étude est de constituer un état technico économique des réseaux de surveillance environnementale dans les sites industriels et les sites urbains.

# Méthodologie de l'étude

L'étude a été menée :

* pour la partie « réseaux » : en alternant étude bibliographique sur internet et entretiens téléphoniques avec des distributeurs de composants, des fabricants de capteurs ou de modules de capteurs, des bureaux d'études, des sociétés de services informatiques, des opérateurs de télécommunications. C'est ajouté l'expertise et l'expérience personnelle de l'auteur de ce rapport dans les réseaux de capteurs sans fil

* pour la partie « retour d'expériences » : en interrogeant les responsables des laboratoires ayant participé aux projets. Le retour d'expérience des industriels est toujours délicat à obtenir de manière objective étant donné le contexte concurrentiel

* Pour la partie « besoins en surveillance environnementale : demandes de contact sur le réseau social linkedin (plus de 100 demandes) et contact par email en utilisant les organigrammes de collectivités territoriales (régions, départements, métropoles ou communes), des ministères, et des entreprises ainsi que les emails trouvés dans des comptes rendus de réunion (AASQA etc.). Le taux de réponses a été particulièrement bas, inférieur à 5%.

* Une étude bibliographique quasi exhaustive des réglementations et guides concernant l'environnement a été entreprise au niveau communal, départemental, régional, national, européen et mondial
## 2 INTRODUCTION

### Le contexte

La demande pour le suivi/surveillance de l'environnement s'accroit d'année en année. Elle suit la progression rapide des prises de consciences environnementales. Tous les acteurs politiques ont commencé à relayer les préoccupations exprimées par les scientifiques concernant l'environnement, aiguillonnés par le spectre d'un réchauffement climatique mis en exergue par le GIEC.

De très nombreuses organisations/institutions internationales, nationales et régionales, débattent, légifèrent, proposent des mesures sur les thèmes de l'environnement (pollution, changement climatique, biodiversité).

Les textes réglementaires européens et français concernant l'environnement incluent quasi systématiquement une clause imposant l'information du public. Ce qui signifie l'importance grandissante de la nécessité de mesurer et traiter les paramètres issus de l'environnement.

De très nombreuses données environnementales sont donc maintenant accessibles au public grâce à de nombreux sites gérés par des administrations (eaux, air extérieur, sols pollués)

Les 2 grands thèmes environnementaux que sont le réchauffement climatique et la pollution de l'air sont intimement liés puisque les GES (gaz à effet de serre) principaux, le CO2 ou le CH4, qui ne sont pas des polluants ayant des effets néfastes sur la santé aux teneurs rencontrées dans l'atmosphère, accompagnent très souvent ces derniers en tant que sous produits de combustion ou de fermentations. Un bon exemple de double contribution GES/polluants est le transport routier : générateur à la fois de CO2 et de molécules organiques polluantes dérivées de la combustion plus ou moins complète des hydrocarbures.

Les mesures des niveaux de pollution se font généralement grâce à des appareils d'analyses sophistiqués et couteux qu'il faut calibrer périodiquement.

Souvent les mesures se font par prélèvement suivi d'une analyse ultérieure en laboratoire. Ce qui est particulièrement le cas dans le domaine de l'eau.

Cette procédure lourde réduit le nombre de mesures par territoire et en fréquence.

Depuis 10 ans, l'apparition de réseaux de télécommunications sans fil longue et très longue distance, lancés par la société française SIGFOX, laisse augurer la possibilité d'obtenir plus de mesures et dans plus d'endroits.

Mais la condition d'un réel succès, c'est-à-dire le suivi environnemental quasi intégral des sites, de manière autonome, est la disponibilité de capteurs simples, peu onéreux, multiparamétriques, et fiables, qui pourront se raccorder aux réseaux sans fil privés ou dépendant d'operateurs. Ce n'est pratiquement pas le cas aujourd'hui.

Le développement conjoint de microcapteurs pour détecter certains gaz « simples » et de réseaux sans fil faible cout, a néanmoins permis l'émergence de start up qui proposent des microcentrales de surveillance de la qualité de l'air à la fois industrielles, d'un cout encore très élevé (quelques milliers d'euros), mais la concurrence devrait faire baisser les prix, et domestiques, d'un cout modéré (quelques centaines d'euros voire quelques dizaines d'euros).

L'offre en capteurs et microcapteurs reste cependant limitée à la température, humidité, bruits et la détection de molécules simples de type CO2, CH4, NOx, CO, NH3, H2S, le taux de particules (sans analyse de la composition des particules mais avec indication de leur taille).

Dans le domaine de l'eau, les capteurs de hauteur d'eau ultrasonores, les sondes optiques d'oxygène dissous et les sondes de pH ou ioniques permettent un suivi à distance utilisé depuis plus de 15 ans grâce à des liaisons radio. Il ne s'agit plus de microcapteurs. Une tendance à l'utilisation de dispositifs échantillonneurs intégratifs, sur plusieurs semaines ou mois, va à l'encontre de la mesure en continue mais permet de moyenner et quantifier des espèces pour lesquels on ne dispose pas d'analyse en ligne. Ces dispositifs ne bénéficieront pas des réseaux de capteurs, l'analyse des espèces chimiques piégées se faisant au laboratoire.
La fiabilité, la stabilité dans le temps, les interférences entre espèces chimiques, des microcapteurs ne sont pas encore optimales et dignes de confiance. Le challenge microcapteurs, organisé par AIRLAB/AIRPARIF, annuel depuis 2018 permet d'avoir une bonne vision de ce marché et de la qualité des produits proposés. On pourra remarquer que la qualité n'est pas liée au prix.

Les principaux polluants toxiques tels que les HAP (hydrocarbures aromatiques polycycliques), les BTEX (Benzène, Toluène, Éthylbenzène et Xylènes), les PCB (polychlorobiphenyles), les COVH (COV halogénés) les métaux (Hg, Cd, Pb, As), les pesticides, les perturbateurs endocriniens, restent encore inaccessibles aux microcapteurs.

Cette situation explique très certainement le fait qu'il n'existe pas aujourd'hui de contraintes réglementaires qui encourage l'utilisation de réseau de capteurs environnementaux. Leur utilisation reste donc motivée par le souci d'une meilleure compréhension des pollutions.

Dans ce cadre restreint, les industriels et les collectivités peuvent néanmoins, dès maintenant, tirer parti du développement rapide de l'internet des objets (IoT) qui a pour vocation de multiplier le suivi des objets et des personnes grâce à l'utilisation de nombreux réseaux sans fil qui se sont développés depuis 10 ans.

C'est une bonne opportunité pour les industriels pour améliorer leur image de marque au niveau du public et pour les institutionnels de répondre à la pression informationnelle du public.

Le rapport est organisé de la manière suivante :

**La première partie concerne la surveillance environnementale :**

Quels sont les besoins exprimés, les obligations et les motivations des industriels et des collectivités. Les enjeux sociétaux de la surveillance environnementale sont soulevés. La surveillance actuelle est décrite à la fois en terme d'especes chimiques à surveiller et en terme d'outils de suivi. Les enjeux capteurs sont mis en exergue.

**La deuxième partie concerne spécifiquement les réseaux de capteurs** et plus particulièrement les réseaux de télécommunications sans fil qui servent de support à la mise en réseau de capteurs*, c'est-à-dire à leur insertion/interconnection dans un système complet d'acquisition et de traitement de données emanantes de ces capteurs : Qu'est ce qu'un réseau, comment le choisir et comment le constituer. Des exemples concrets, correspondant à différents scénarios de surveillance, sont proposés ainsi qu'un retour d'expériences.

Une large part de l'étude est positionnée en annexe pour permettre d'approfondir chaque domaine si nécessaire sans peser sur une écriture concise en première partie qui répond à un questionnement d'une première approche du sujet.

* réseau de capteurs : un ensemble de capteurs répartis sur une zone géographique ou dans des bâtiments interconnectés à l'aide d'un ou plusieurs réseaux de télécommunications
### 3 Analyse des besoins de surveillance environnementale dans les domaines de l'eau, de l'air et des sols

<table><caption>Tableau 1 les besoins de mesurer la pollution peuvent être classifiés selon les objectifs suivants (RECORD, 2021):</caption><thead><tr><td>Entité demanderesse</td><td>Objectif de la demande</td></tr></thead><tbody><tr><td>Les politiques/administrations</td><td><ul><li>Evaluation des mesures prises pour réduire les pollutions</li><li>Information du public</li><li>Déclanchement des seuils d'alertes suivies d'actions protectrices des populations</li><li>Identification des pollueurs</li><li>Meilleure estimation des couts sociaux économiques des pollutions (cout due aux problèmes de santé induits)</li></ul></td></tr><tr><td>Les Scientifiques</td><td><ul><li>Etudes sur les pollutions (nature et source des polluants, impacts présents et futurs sur l'environnement et les populations)</li><li>Suivi individuel de l'exposition aux polluants (exposome) pour établir le lien entre pollution et santé</li></ul></td></tr><tr><td>Les industriels</td><td><ul><li>Déclanchement de seuils d'alerte pour respecter la réglementation</li><li>Déclanchement de seuils de sécurité pour éviter les accidents</li><li>Régulation des rejets pour éviter les pénalités</li><li>Régulation des dispositifs de ventilation des locaux</li></ul></td></tr><tr><td>Le public</td><td><ul><li>Contrôle de la pollution dans l'habitat (pour en diminuer ou supprimer les sources internes et s'isoler des sources externes)</li><li>Suivi personnalisé de l'exposition aux polluants</li><li>Choisir un lieu d'habitation plus sain</li><li>Agir pour l'environnement</li></ul></td></tr><tr><td>Les associations de défense de l'environnement</td><td><ul><li>Contrôler les diverses pollutions pour alerter les services publics, le public, les medias</li><li>Contrôler pour d'éventuelles actions en justice</li></ul></td></tr></tbody></table>
## 3.1 Synthèse de la demande pour des réseaux de capteurs de qualité de l'air

La qualité de l'air et son lien avec la santé est le sujet de préoccupation majeur lorsqu'on parle environnement. Celle que le citoyen ressent en moyenne 16 fois par minute dans l'acte vital qu'est la respiration.

L'OMS a été la première (1987, guide de la qualité de l'air pour l'Europe, 28 polluants) à définir et proposer des seuils limites de différents polluants à atteindre pour un air sain, c'est-à-dire

* ne présentant pas de risques pour les populations en n'induisant pas de maladies ou ne réduisant pas l'espérance de vie (le premier rapport de l'OMS « air pollution » de 1958, timide vis-à-vis des effets de la pollution sur la santé, ne prévoyait pas de normes de pollution)

* ne présentant pas de risques pour l'environnement et la biodiversité.

L'Europe s'est approprié ces seuils avec un décalage de quelques années. Seuils qui ont ensuite été transposés dans la législation française avec un délai supplémentaire de quelques années.

A terme on peut estimer entre 10 à 15 ans le temps nécessaire pour que les limites maximales recommandées par l'OMS soient imposées en France. Dans certaines grandes villes françaises et européennes, le dépassement des limites (NO2 en particulier), imposées par l'Europe, est encore permanent ou fréquent.

### Demandes issues de Le réglementation française :

C'est principalement la pollution de **l'air extérieur** globale (sur des zones de plusieurs dizaines de kilomètres carrés) qui est réglementée et suivie de manière officielle par des laboratoires agréés à l'aide de méthodes agréés. Les normes, les seuils ainsi que les procédures d'agréments sont définis par décrets ou arrêtés dans la législation française.

Elle suit la législation européenne, exprimée sous forme de directives (ex : 2006/60/CE) auxquelles doivent se conformer les pays européens sous un délai fixé dans les dites directives, sous peine de sanctions.

**La législation sur la surveillance environnementale directe et continue des émetteurs de polluants (industrie et agriculture) est déterminée de manière très locale par des arrêtés préfectoraux** se référant à des lois ou décrets nationaux généralistes (exemple article L515-8 du CE : installations qui peuvent présenter des **dangers ou des inconvénients** soit pour la commodité du voisinage, soit pour la santé, la sécurité, la salubrité publique...).

La qualité de **l'air intérieur** est réglementée en France uniquement pour les lieux accueillant du public en particulier les écoles, et dans les lieux de travail, avec des contraintes sur le renouvellement de l'air plutôt que sur la nature des polluants. L'habitat domestique ne fait pas l'objet de contraintes environnementales réglementaires, alors que les personnes y passent 2/3 de leur vie et que des sources de pollution différentes de celle de l'air extérieur aient été identifiées (exemple : COV des moquettes, meubles, HAP issus de cuisson, de foyers ouverts).

Les polluants extérieurs à mesurer en continu du fait de la réglementation française se résument aujourd'hui à **12 polluants**:

dioxyde de soufre SO2, oxydes d'azote NOx, matière particulaire PM10 et particules fines PM2.5, plomb, monoxyde de carbone CO, benzène C6H6, ozone O3, arsenic, cadmium, nickel et hydrocarbures aromatiques polycycliques HAP

En France, Le LCSQA les AASQA (ATMOS) remplissent les besoins réglementaires et parfois vont au delà en ce qui concerne la mesure de pesticides, non obligatoire aujourd'hui mais en phase d'estimation (ANSES).

### Les instances sanitaires sont principalement motivées par l'établissement du lien entre pollutions et santé.

L'approche pour l'établissement de ce lien est aujourd'hui essentiellement concentrée sur la bio surveillance grâce à l'utilisation de bio marqueurs (vérification du taux de polluants chez les individus par campagnes de dépistage et d'analyses sanguines et des cheveux) et la recherche de corrélations grâce à des modèles configurés pour faire la synthèse de ce que les individus ont inspiré au cours de leur vie.

La modélisation, permettant de palier le manque de données de mesures au niveau individu, est fortement dépendante des hypothèses pour l'établir (données de la qualité de l'air ambiant, données d'émissions, elles mêmes résultant de simulations, modèles de dispersion). Elle est donc remise en cause. Elle ne rendrait pas compte de la réalité de manière suffisamment fidele. Par exemple, il a été
plusieurs fois mentionné dans les sources de ce rapport que le taux des polluants peut varier de manière très significative entre 2 endroits espacés de quelques mètres (métros, habitations, environnements de périphériques routiers).Les données d'émission, basées sur les déclarations des industriels sont sujettes à caution, en particulier celles concernant les émissions des véhicules.

D'où la tentation de préconiser des capteurs liés aux individus que l'on retrouve dans plusieurs rapports (exemple : essai réalisé sur 20 000 personnes en Hollande).

Le concept d'exposome a été créé (2005) pour tenter de donner réalité à l'exposition réelle et cumulée subie par un individu.

Un moyen plus juste d'avoir accès à l'exposome des individus serait d'avoir des mesures des taux de polluants faites dans son environnement proche.

Les seuils des normes devraient être abaissées (plusieurs ne sont pas encore aux valeurs recommandées par l'OMS en 2005 en particulier l'ozone sur longue durée d'exposition).

La nécessité de suivre les particules ultrafines (<0.1µm), la carbone suie, le carbone organique et les pesticides (plusieurs études en cours) est mentionné dans plusieurs rapports.

En ce qui concerne la qualité de l'air intérieur, la moisissure semble insuffisamment prise en compte malgré le fort taux rencontré dans 47% des logements.

## Demandes issues des AASQA et OQAI

Le matériel d'analyse actuel donne visiblement satisfaction puisqu'il est en général spécifié dans les normes et alimente avec succès les sites internet destinés à l'information du public et à la surveillance réglementaire de la pollution de l'air extérieur (dite aussi ambiante).

Il ne semble pas exister une forte demande pour la mise en place des réseaux de microcapteurs. Si de tels réseaux de microcapteurs venaient à être utilisés par les AASQA, il serait nécessaire de toute manière, en l'état actuel de dérive et de non fiabilité des microcapteurs, de les calibrer avec les analyseurs normés de manière périodique, ce qui alourdi leur mise en œuvre et le cout de leur déploiement.

Une veille technologique permanente ainsi qu'une évaluation des microcapteurs, munis systématiquement de moyen de communications sans fils de type GSM, Sigfox ou Lora, est assurée par le LCSQA avec l'assistance des AASQA.

Des expérimentations sur plusieurs centaines de microcapteurs mobiles se déroulent depuis quelques années (pollutrack, atmotrack) principalement à Paris.

## Conclusions sur les demandes en réseaux de capteurs de suivi de l'air :

### Mesurer pour agir :

L'argumentation principale pour une prolifération de capteurs de surveillance de la pollution, et donc l'installation de réseaux de capteurs, est de pouvoir compléter les données actuellement fournies par les AASQA afin d'affiner les données relatives à l'exposition des personnes aux polluants de l'air.

Ces données permettront de mieux comprendre le rapport entre santé et environnement pour réduire les atteintes au bien être des citoyens, le nombre de malades ou de morts prématurées attribués aux pollutions environnementales et mieux comprendre le rapport entre pollutions et dégradation durable de l'environnement, qui affectent la planète dans sa globalité (espèces vivantes et milieux naturels).

Le deuxième argument, qui va dans le sens d'une augmentation substantielle des capteurs environnementaux, est une meilleure identification des sources de polluants pour œuvrer à leur diminution.

Le troisième argument tient dans la nécessité de plus et mieux analyser, grâce à des capteurs, pour déterminer de manière plus fiable les seuils adéquats de pollutions qui serviront à informer les administrations, les exploitants et les populations locales des dangers imminents (prévention), des accidents en cours et des dangers latents.

### Mesurer pour informer :

Il est devenu essentiel d'informer le public soit directement au travers de sites internet soit indirectement au travers d'associations en charge d'œuvrer pour l'environnement.

L'alimentation de ces sites internet par des réseaux de capteurs autonomes faciliterait la restitution des mesures à la population.
## 3.2 Synthèse de la demande pour des réseaux de capteurs de qualité de l'eau

Tout comme l'air (intérieur et extérieur) il y a deux eaux pour le public : celle que l'on consomme et celle des rivières et étendues d'eau.

La qualité de l'eau de consommation, vu du public, se résume souvent à son goût : l'eau est-elle chlorée ou non ? Les diverses autres pollutions ne se sentent pas et demeurent donc quasiment ignorée et inconnue du public hormis quand il reçoit annuellement la facture du syndicat des eaux accompagnée d'un bulletin d'analyse, très souvent conforme.

Le public, en revanche, considère que l'eau des rivières ou du lac est globalement polluée mais puisqu'il n'en souffre pas directement, exerce une pression moindre sur l'état.

Les problématiques de l'eau sont quasiment identiques à celles de l'air

* Identification de polluants sophistiqués (substances émergentes tels les résidus pharmaceutiques, les pesticides)

* Identification des pollueurs

* Impact des polluants sur l'écosystème

Une partie des analyses se fait à l'aide de capteurs classiques de type électrodes ou capteurs électrochimiques (pH potentiel redox ions métalliques), capteurs optiques (oxygène dissous) ou niveau/débits connectés par les réseaux existants.

Pour les micropolluants avérés, notamment de type pesticides, métaux, métalloïdes etc., **le besoin d'outils fiables de détection et de quantification in situ, donnant des informations plus globales et plus intégrées, demeure toujours d'actualité.**

Les analyses des micropolluants se font aujourd'hui principalement par prélèvements suivis d'analyses en laboratoire. Les systèmes intégrateurs passifs, bénéficiant actuellement d'un fort intérêt, destinés à capter sur une longue période les polluants présents en très faible quantité, nécessitent aussi des analyses de laboratoire. Leur mise en réseau semble donc problématique et nécessiterait une méthode de détection in situ qui reste encore à développer.

Les réseaux de capteurs environnementaux se limitent donc aux capteurs « simples ». Leur prolifération pourrait néanmoins permettre des détections plus rapides d'incidents/accidents et réduire leur impact.

## 3.3 Synthèse de la demande pour des réseaux de capteurs de qualité des sols

Les sites et sols pollués souffrent principalement de la nécessité d"un suivi à des échelles de temps longs (plusieurs années) et parfois d'un éloignement des habitations.

L'anticipation de la migration des pollutions nécessite une connaissance parfaite de la géologie du sous-sol, de la nature du ou des polluants ainsi que la quantité enfuie et des modèles mathématiques validés.

La prolifération des forages d'analyse (les piézomètres) et de leurs capteurs associés seraient un sérieux atout pour le suivi par exemple de la pollution des eaux souterraines. Des réseaux de capteurs connectés pour des systèmes longues distances de type LORA, SIGFOX, LTE, NB-IOT sont tout à fait appropriés.
## 3.4 Absence de la notion de réseaux de capteurs dans les normes, décrets, BREF

La notion de réseau de capteur n'apparaît pas dans les textes législatifs et ne constitue donc pas une obligation. Ce n'est que lorsque la maturité des réseaux de capteurs adviendra que la législation pourra éventuellement les prendre en compte.

## 3.5 Enjeux de la surveillance environnementale

Les très nombreux textes militants pour un meilleur respect de l'environnement atteignent rarement le niveau du détail technique. Seule la mention « surveillance de la pollution » laisse suggérer qu'il faut mesurer/analyser les polluants.

La notion et l'utilisation du terme « réseaux de capteurs » est employée au niveau académique ou industriel mais ne se rencontre pas dans les textes réglementaires ou législatifs.

**Le suivi réglementaire français** (dérivé de l'européen) de la pollution de l'air ambiant consiste en 800 stations de mesures fixes. C'est-à-dire une station pour 687 km² (donc une par carré de 26x26 km), un peu plus dense pour les grosses agglomérations (exemple Paris et son agglomération : 70 stations, une par carré de 21x21 km).

On parle donc d'analyse globale ou moyenne de la pollution. Analyse qui ne reflète certainement pas les micropollutions à l'échelle de la centaine de mètres, voire de la dizaine de mètres quand il s'agit d'épandage de pesticides ou de fumées émanent d'industries, d'incinérateurs.

La variabilité spatiale et temporelle de la pollution est, dans la pratique, aujourd'hui inaccessible.

Une approche à l'aide de modélisations/simulations, dans lesquelles on injecte à la fois des données issues de mesures, des données fournies par les exploitants ou les constructeurs automobiles, et des données météorologiques, permet d'avoir une idée des nuages de pollution à l'échelle d'une ville par exemple et leur évolution dans les jours suivants.

Dans le cadre des ICPE, installations classées pour la protection de l'environnement, ce qui concerne la majorité des sites de production, au sens large, les niveaux de pollutions limites en sortie de processus sont fixés par arrêtés préfectoraux.

**Les mesures obligatoires réalisées par les industriels** dans le cadre de la réglementation des ICPE alimentent des logiciels de simulation pour fournir des cartographies de pollution en fonction des conditions météorologiques (données gérées par le Citepa).

**La pollution globale**, mesurée à bonne distance des sources de pollution, est la somme des 4 types de pollutions : industrielles, agricoles, due aux transports, résidentielle.

**Des analyses beaucoup plus nombreuses sur le territoire**, à l'aide de réseaux de capteurs dont la répartition se ferait en fonction du nombre et de la nature des sources d'émissions, auraient le mérite de pouvoir attribuer de manière fiable et sans ambiguité, les contributions respectives à la pollution globale et locale.

Les actions à initier seraient alors plus ciblées et d'une efficacité apte à réduire plus rapidement les pollutions. La réactivité lors d'incident ou d'accidents serait fortement augmentée avec tous les bénéfices sur les populations qui en découleraient.

Le concept de pollueur payeur prendrait tout son sens et son application simplifiée.

**La densification du maillage de capteurs environnementaux dépend aussi de la possibilité des capteurs à détecter les molécules considérées comme polluantes.**

La multiplicité et la complexité variable des molécules dites « polluantes » et de leurs outils d'analyse (exemple : CO2 versus une molécule organique d'un pesticide) rend le suivi détaillé de la pollution difficile voire impossible avec un maillage au niveau du citoyen. D'autant plus que la complexité de nombreuses analyses (métaux, HAP, COV) nécessite des prélèvements de gaz suivis d'analyses de laboratoire à l'aide d'appareils très sophistiqués (exemples : chromatographes en phase gazeuse suivi d'un spectromètre de masse >100 K euros). Il est donc quasi impossible, pour des raisons budgétaires, de multiplier à l'envie, ces sites de mesures et ces analyses.

Les analyses par microcapteurs permettent aujourd'hui de mesurer des sous-produits de pollution (taux de particules, CO2, CO, NOx, O3etc) sans permettre la quantification d'espèce plus dangereuses (HAP, BTEX, pesticides, etc.).

L'attrait des microcapteurs « bas cout » ne doit pas faire oublier la nécessaire fiabilité ni l'aspect tout relatif de « bas » dans « bas cout » notion souvent mise en avant par les industriels comme argument marketing. On constate que « bas cout » peut varier de 500 à 20 000 euros.
# 4 La surveillance environnementale actuelle

## 4.1 La surveillance environnementale vue du côté des industriels :

### Surveillance obligatoire

Les industriels sont tenus à une surveillance environnementale de leurs installations. Cette surveillance est définie dans des arrêtés préfectoraux qui s'inspirent des BREFs, documents de référence des meilleures techniques disponibles, élaborées au niveau européen.

Dans le cadre des ICPE (installations classées pour l'environnement), ce qui concerne la majorité des sites de production, au sens large, les niveaux de pollutions limites en sortie de processus sont fixés par arrêtés préfectoraux qui peuvent comporter des plans d'analyses régulières des pollutions.

L'état intervient ultérieurement dans le cadre des pollutions accidentelles (DGPR) et non sur la pollution chronique (dite de fond).

Les BREF sont régulièrement revues et adaptées aux évolutions technologiques.

Les contrôles sont définis selon des normes, spécifiques à chaque type d'industrie.

### Surveillance facultative

Dans le cas où les industriels n'ont pas d'obligation, par exemple le suivi de certaines molécules, ils peuvent néanmoins assurer un suivi pour mieux répondre aux attentes sociétales, ou éviter des litiges avec des associations de riverains.

## 4.2 Surveillance environnementale dans le cadre urbain

Le suivi réglementaire français (dérivé de l'européen) de la pollution de l'air est à l'origine du réseau d'environ 800 stations de mesures fixes, constitué par les AAQSQA (association agréée de surveillance de la qualité de l'air), Airparif, est le plus connu.

On parle d'analyse globale ou moyenne de la pollution. Analyse qui ne reflète pas les micropollutions à l'échelle de la centaine de mètres, voire de la dizaine de mètres quand il s'agit d'épandage de pesticides ou de fumées émanent d'industries, d'incinérateurs.

La variabilité spatiale et temporelle, détaillée à l'échelle de l'individu, de la pollution est, dans la pratique, aujourd'hui inaccessible.

Une approche à l'aide de modélisations/simulations, dans lesquelles on injecte à la fois des données issues de mesures, des données fournies par les exploitants ou les constructeurs automobiles, et des données météorologiques, permet d'avoir une idée des nuages de pollution à l'échelle d'une ville par exemple et leur évolution dans les jours suivants.

La législation ne préconise pas la détection des sources de pollution dès lors que la population n'est pas mise en danger imminent.

Dans le domaine de l'eau, les zones urbaines cumulent 3 contraintes : gestion de l'eau potable, des eaux d'assainissement et des eaux pluviales. Les autres eaux (lacs rivières mer océan) seront mentionnées puisqu'elles interagissent avec les eaux urbaines et industrielles.

Chacun de ces 3 domaines nécessite des analyses spécifiques.

## 4.3 La surveillance environnementale vue du côté état (enjeu sociétal) :

Enjeux environnementaux :

L'état veille à l'équilibre entre nécessité économique, santé des individus et santé de la planète. La surveillance environnementale est un moyen de contrôler que les dispositions, lois, décrets, arrêtés sont respectés.

Les enjeux peuvent être regroupés dans les thèmes suivant :

* prévenir et gérer les crises (pollutions accidentelles)

* Garantir les enjeux long terme de l'environnement (pollution, réchauffement, biodiversité)

* Comprendre les mécanismes liés aux pollutions (ex : la pollution et son influence sur la santé)

* Informer les populations

Les responsabilités de la surveillance environnementale sont diversement réparties en fonction de :
* Territorialité des pollutions (génération, localisation, diffusion), micro et macro environnements, transnational ite des pollutions

* Découpage des territoires et responsabilités environnementales partagées (chaque entité territoriale est concernée par l'environnement : l'état, le MTES, les préfectures, les régions, les départements les communautés de communes, les communes)

Le suivi des pollutions s'effectue aussi par typologie :

* Suivi des environnements proches des zones industrielles (pollutions récurrentes ou accidentelles)

* Suivi des environnements urbains et péri urbains

* Suivi des environnements des transports (trains, auto, bateaux, avions)

* Suivi des bâtiments publics et privés recevant du public (écoles, administrations, locaux recevant du public, commerces)

* Suivi des pollutions domestiques d'origines extérieures et pollutions intérieures (matériaux de construction ou d'ameublement dégazant, chauffage bois etc.) pour établissement de normes des matériaux, de ventilation etc.
## 4.4 les pollutions/polluants actuellement suivis

Cette description n'a pas vocation à être exhaustive. Elle permet le lien entre les paramètres et polluants régulièrement suivis et la possibilité de les suivre via la mise en place d'un réseau de capteurs.

### Paramètres de suivi de la qualité de l'air et possibilités de les suivre via un réseau

Les polluants qui sont suivis par les AASQA sont aujourd'hui (1/2021) :

<table><caption>Tableau 2 polluants suivis dans l'air (RECORD 2021)</caption><thead><tr><td>polluant</td><td>nom</td><td>Possibilité d'insertion dans un réseau</td></tr></thead><tbody><tr><td>NOx</td><td>oxydes d'azote</td><td>oui</td></tr><tr><td>PM10 et PM2.5</td><td>les particules fines en suspension</td><td>oui</td></tr><tr><td>SO2</td><td>dioxyde de soufre</td><td>oui</td></tr><tr><td>O3</td><td>ozone</td><td>oui</td></tr><tr><td>CO</td><td>monoxyde de carbone</td><td>oui</td></tr><tr><td>COV</td><td>composés organiques volatils</td><td>Taux COV Global</td></tr><tr><td>HAP</td><td>hydrocarbures aromatiques polycycliques</td><td></td></tr><tr><td>Métaux lourds</td><td>plomb Pb, cadmium Cd, arsenic As, nickel Ni</td><td>Arsenic</td></tr></tbody></table>

Les pesticides ont fait l'objet d'une « campagne exploratoire nationale de mesure des résidus de pesticides dans l'air », ponctuelle, de 2018 à 2019, pour vérifier la pertinence de leur mesure et de leur périodicité : la présence de nombreux pesticides mais à faible taux n'a pas incité l'ANSES à recommander un suivi particulier.

### Paramètres de suivi de la qualité de l'eau et possibilités de les suivre via un réseau

<table><caption>Tableau 3 polluants suivis dans l'eau (RECORD, 2021)</caption><thead><tr><td></td><td>Eau potable</td><td>Assainissement rejets</td><td>pluvial</td><td>Rivières/ lacs'étangs</td><td>Possibilité d'insertion dans un réseau</td></tr></thead><tbody><tr><td></td><td>63 paramètres</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Hauteur</td><td></td><td>x</td><td>x</td><td>x</td><td>oui</td></tr><tr><td>débit</td><td>x</td><td>x</td><td>x</td><td>x</td><td>oui</td></tr><tr><td>fuites</td><td>x</td><td>x</td><td>x</td><td></td><td>oui</td></tr><tr><td>pH/température</td><td>x</td><td></td><td></td><td>x</td><td>oui</td></tr><tr><td>MES</td><td></td><td></td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>turbidité</td><td>x</td><td></td><td></td><td>x</td><td>oui</td></tr><tr><td>dureté</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>Ions (Cl, K, Na etc.)</td><td>x</td><td></td><td></td><td></td><td>oui</td></tr><tr><td>Nitrates, fluor</td><td>x</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>métaux</td><td>x</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>HAP</td><td>x</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>hydrocarbures</td><td>x</td><td></td><td></td><td></td><td></td></tr><tr><td>DCO</td><td></td><td>x</td><td></td><td>x</td><td>Par UV</td></tr><tr><td>DBO</td><td></td><td>x</td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>O2 dissous</td><td>x</td><td></td><td></td><td>x</td><td>oui</td></tr><tr><td>polluants</td><td></td><td></td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>microbiologie</td><td>x</td><td></td><td>x</td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>micro plastiques</td><td></td><td></td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>flore</td><td></td><td></td><td></td><td>x</td><td></td></tr><tr><td>Perturbateurs endocriniens</td><td>x</td><td>x</td><td></td><td>x</td><td></td></tr></tbody></table>
## Paramètres de suivi de la qualité des sols et possibilités de les suivre via un réseau

L'analyse des sols concerne essentiellement les sites pollués par d'anciennes industries. La liste des polluants rencontrés et analysés est assez vaste dont :

<table><caption>Tableau 4 polluants rencontrés dans les sols (RECORD, 2021)</caption><thead><tr><td>polluants</td><td>Possibilité de capteurs autonomes raccordés à un réseau</td></tr></thead><tbody><tr><td>Hauteur d'eau des nappes phréatiques</td><td>oui</td></tr><tr><td>métaux lourds</td><td></td></tr><tr><td>hydrocarbures</td><td></td></tr><tr><td>HAP</td><td></td></tr><tr><td>COV</td><td>globaux</td></tr><tr><td>Huiles minérales</td><td></td></tr><tr><td>Goudrons</td><td></td></tr><tr><td>Hydrocarbures halogénés volatils</td><td></td></tr><tr><td>Organochlorés</td><td></td></tr><tr><td>PCB</td><td></td></tr><tr><td>PCT(Polychloroterphényles)</td><td></td></tr><tr><td>Dioxines</td><td></td></tr><tr><td>Furanes</td><td></td></tr><tr><td>Phénols</td><td></td></tr><tr><td>Chlorophénols</td><td></td></tr><tr><td>Cyanures</td><td></td></tr><tr><td>arsenic</td><td>oui</td></tr><tr><td>Pesticides<sup>23</sup></td><td></td></tr><tr><td>Phtalates</td><td></td></tr><tr><td>Esters phtaliques</td><td></td></tr><tr><td>Substances chimiques à usage militaire</td><td></td></tr><tr><td>Explosifs</td><td></td></tr><tr><td>Munitions non explosées</td><td></td></tr><tr><td>Eutrophisants (nitrates, phosphates)</td><td></td></tr><tr><td>Acides, bases</td><td>oui</td></tr><tr><td>Radionucléides</td><td>oui</td></tr></tbody></table>

Les analyses se font généralement en tenant compte de l'historique d'activités du site
# Perspectives sur les nouvelles pollutions à suivre

La recherche des polluants est freinée par la non disponibilité de technologies de mesures simples et peu onéreuses. En particulier la recherche des pesticides est particulièrement compliquée du fait de la complexité et la diversité des composés chimiques.

De nouvelles pollutions sont apparues, souvent regroupées sous le terme « micropolluants » comme les perturbateurs endocriniens, issus de l'industrie pharmaceutique et susceptibles d'être présents dans l'eau potable et les terres agricoles du fait de l'épandage des boues des STEPs.
De même de nombreux pesticides sont encore difficiles à détecter.

Ces pollutions diverses se mesurent avec des appareils de laboratoires et de procédures d'extraction qui rendent leur analyses couteuses et consommatrice de temps.
L'espoir de nouveaux capteurs simples, bon marché et sélectifs, par exemple de type MOS avec couche fonctionnalisée sélective, est régulièrement déçu.

## Mesure du taux de particules :

La mesure des taux de particules dans l'air fait partie des plus réalisées, très certainement du fait de sa simplicité apparente (diffraction laser), de sa fiabilité et de son très faible cout (le cout de production de la cellule de mesure elle-même ne dépasse pas 30 euros). Il est le reflet d'une pollution ambiante. Mais cette simplicité ne doit pas masquer l'incertitude qui subsiste quant à la nature des particules comptées à l'origine de la pollution. Le récent rapport de l'étude RECORD, « Particules : lien entre caractérisation physico-chimiques et impact sanitaire » montre que peu d'études parmi les nombreuses études listées dans la bibliographie étudiaient la composition des particules. Ce qui est considéré comme une lacune par les auteurs.

Il est certain qu'une poussière de sable amenée par le vent du Sahara, une poussière d'argile amenée de la campagne ou des embruns de sels marins auront une nocivité bien différente de celle d'une particule de HAP résultant d'une combustion incomplète d'un moteur à explosion ou d'un insert à bois. Des recherches sur un moyen simple de caractériser/trier les particules sans passer par l'analyse d'un filtre en laboratoire seraient les bienvenues. Le laboratoire le Laboratoire de Physique et Chimie de l'Environnement et de l'Espace (LPCE2) du CNRS est un bon exemple d'un tel type de recherche. Son dispositif LOAC, disposant de 2 angles de détection de la diffusion de lumière par les particules, permet qu'une approche estimative de la nature des particules. Il permet de surcroit une analyse fine de la taille des particules (entre 200 nm et 30µm en 19 gammes) Des essais sont réalisés dans le métro parisien.
## 4.5 Les outils actuels de surveillance :

### Des analyses et analyseurs sophistiqués

Dans les tableaux ci-dessus, mentionnant les polluants à analyser, la grande majorité le sont à l'aide d'appareils sophistiqués et couteux, réclamant des calibrations, des maintenances périodiques.

Ces appareils nécessitent un personnel hautement qualifié et ne permettent pas l'autonomie. Seules quelques stations autonomes de type analyseurs colorimétriques assurent des analyses automatiques de l'eau et transmettent leurs données par liaisons sans fil.

### Périodicité des analyses

Du fait de la cherté, de la complexité de la mise en œuvre et du caractère non létal à court terme, la périodicité des analyses est souvent mensuelle voire annuelle. Elles se font en grande partie par prélèvement (échantillonnage) suivi d'une analyse en laboratoire spécialisé.

Les analyses en temps réel concernent principalement aujourd'hui le suivi des gaz « simples », les taux de particules, la température et l'humidité, les hauteurs et débits d'eau.

### Des microcapteurs et capteurs « bas couts »

La possibilité de pouvoir utiliser des capteurs mesurant toutes les espèces polluantes, bons marchés, fiables, et fonctionnant de manière autonome sans recalibration et maintenance lourde nécessitant le dépôt et le renvoi à un laboratoire, n'est pas encore au rendez-vous. Sauf pour les mesures physiques simples (température, humidité, débits, hauteurs d'eau)

Des tests sont réalisés de manière annuelle par des organismes indépendants (exemple ATMO France) pour qualifier et comparer les capteurs de différentes marques et technologies. Les résultats des challenges microcapteurs organisés par AIRLAB depuis 2018 ne sont pas très encourageants quant à la fiabilité des solutions, leur cout et la facilité de traitement des données.

Chaque société propose sa propre plateforme de visualisation des données sans qu'il soit possible de basculer et de fusionner plusieurs de ces plateformes en cas d'utilisation de centrales de mesures provenant de marques différentes.

## 4.6 Enjeux des réseaux de capteurs environnementaux

### Mieux cerner l'origine, la nature, les niveaux des pollutions

Mieux cerner l'origine des pollutions, pollutions industrielles, agricoles, chauffage domestique ou transports et leur répartition sur le territoire ou dans les locaux, implique un maillage de systèmes d'analyses beaucoup plus important qu'aujourd'hui

Connaître la proportion attribuable à tel ou tel secteur permet de mieux comprendre l'impact des actions pour réduire les pollutions. Cette analyse fine est indissociable d'analyses proches des sources de pollution et leur intensification.

Mais un maillage beaucoup plus dense de capteurs ne peut se faire qu'avec la disponibilité de capteurs bas cout, autonomes, organisés en réseaux sans fil

### Les autres intérêts des réseaux de capteurs

Une meilleure connaissance des pollutions a d'autres bénéfices :

* Améliorer la réactivité suite à des pollutions majeures accidentelles : un maillage fin de capteurs permet de visualiser les déplacements des polluants.

* Mieux comprendre le lien entre pollution et santé : diverses pollutions sont suspectées d'être soit des contributeurs aggravant soit des déclencheurs de nombreuses maladies, cancers en particulier.
## Enjeux des capteurs :

### L'enjeu des réseaux de capteurs environnementaux est d'abord un enjeu capteurs.

Tant que les capteurs et en particulier les microcapteurs n'auront pas gagné en sélectivité, fiabilité, et en espèces chimiques détectables, les réseaux de capteurs auront un intérêt symbolique, proche de la gadgetisation, du même type que les centrales domestiques de mesure de la qualité de l'air mesurant, taux de particules, formaldéhyde, COV, accessibles à moins de 100 euros, sans aucune indication de la précision du niveau de qualité de l'air affiché.

### La normalisation et la certification vont jouer un rôle prépondérant dans l'évolution, l'acceptation et l'utilisation des nouvelles technologies de mesure.

### Les capteurs électrochimiques pour mesurer les gaz ont rendu bien des services à l'époque où les techniciens pouvaient les changer tous les 3 mois. La miniaturisation n'a pas changé les problèmes de dérive, de saturation destructrice, de courte durée de vie, de sélectivité très moyenne. Ce sont donc de mauvais candidats pour les microcapteurs appelés à être mis en réseau pour des années sans maintenance. Des efforts pour essayer de compenser leur défaut de manière logicielle vont demander beaucoup d'efforts, calibrations en ligne mais avec quelle référence fiable dans le temps ? Et sans garantie de fiabilité de la mesure in fine.

### La spectrophotométrie optique UV, visible et IR, la spectroscopie Térahertz, les technologies silicium (MOS, ISFET, MOX), lab on chip, dispositifs à ondes acoustiques de surface, dispositifs SPR (surface plasmon résonance) restent encore de puissants domaines d'innovations dans la mesure et l'analyse moléculaire par des micro ou nano dispositifs intégrables facilement dans des réseaux.

Pour pallier le manque de capteurs temps réel pour des espèces présentes en très faible quantité (ppm ou ppb), des **dispositifs intégrateurs/intégratifs** (échantillonneurs **intégratifs**) sont en développement à la fois dans le domaine de l'eau (détection de micropolluants) et celui de la pollution atmosphérique (la récupération des particules dans des filtres pour analyse en est un).

Ce type de capteurs, non miniaturisé et donc plus cher que de simples microcapteurs issus d'un process de semiconducteurs, pourrait s'intégrer directement dans un réseau sans fil, sans retour au laboratoire, à condition qu'une analyse optique ou résistive, simple, puisse se faire. Ainsi qu'un changement automatique des dispositifs intégratifs. Cela signifie néanmoins une maintenance accrue et plus de risques de pannes de l'équipement

Des solutions d'électrophorèses capillaires ou de micro chromatographie gazeuse, existantes, méritaient des développements industriels conséquents pour les rendre accessibles en production de masse et renduire leurs couts.
## S'insérer dans la montée en puissance des objets connectés

La montée en puissance des objets connectés (l'internet des objets IoT), grâce aux connectivités WIFI et BLUETOOTH dans un premier temps puis aux réseaux de télécommunications SIGFOX et LORA dans un deuxième temps (après 2010), stimule les développements des réseaux télécommunications sans fil et des capteurs les utilisant pour transmettre leurs données.

Liste d'exemples d'applications qui stimulent le développement des réseaux d'objets connectés :

* Villes connectées : éclairage intelligent, suivi des flottes de véhicules, suivi des places de parking, surveillance des bâtiments publics, suivi du bruit, de la pollution,

* Bâtiments connectés : monitoring des températures humidité des bâtiments (pilotage des ventilations et climatisation), gestion de l'énergie et de la consommation d'eau, sécurité des bâtiments

* industrie 4.0 : suivi du matériel, des produits en fabrication, du process, des personnes, maintenance préventive et prédictive

* Agriculture connectée : mesures au champ (température, degré d'humidité), dans les granges (température des bottes de fourrage) à l'étable (détection des vêlages, des maladies, du comportement, de l'alimentation), au pâturage (position de l'animal), ruches connectées

* Médecine connectée : traçage de la prise de médicaments par capteurs ingérables, mesure des paramètres des malades, localisation des malades dans les bâtiments

* Vêtements et corps connectés (wearables) : montres connectées, cardiofréquencemètres, lunettes connectées

* L'énorme marché de la localisation des personnes, des animaux, des containers, des biens, des véhicules, des vélos, par GPS ou triangulation de réseau

Les réseaux de capteurs environnementaux peuvent tirer parti des nombreux réseaux mis en place pour assurer la connexion de tous les dispositifs listés précédemment

## Obsolescence, extension, saturation des réseaux

La multiplication des objets connectés risque de saturer les réseaux de télécommunications sans fil. En particulier les réseaux utilisant les fréquences libres (réseaux sans abonnement de type LORA, SIGFOX). Le choix des passerelles est alors déterminant : on choisira de préférence des systèmes multicanaux, et une stratégie bi directionnelle avec acquittement (acknowledgment) de la réception du message, qui se fait au détriment de la consommation et donc de l'autonomie des capteurs.

Les réseaux nationaux sur bandes de fréquence privées, gérés par des opérateurs (LTE-M, NB-IOT), présentent plus de garanties vis-à-vis de la saturation et de la sécurité/sureté des transmissions. Le rajout d'émetteurs relais permet d'assurer une qualité de service (QoS) optimum.

La pérennité des réseaux est aussi plus sure lorsqu'ils sont gérés par des sociétés de taille très confortables (Orange, Bouygues Télécom, SFR).

### Obsolescence programmée des réseaux de télécommunications :

* la 2G est déjà en cours d'arrêt au niveau mondial

* la 3G s'arrêtera en 2022

* la 4G durera au moins encore 10 ans, une transition compatible avec la 5G est à prévoir pour les nouveaux développements

* les réseaux associés de type LTE-M et NB-IOT liés à la 4G suivront très certainement son planning d'obsolescence et basculeront automatiquement vers la 5G (sans modification pour les end-users)

* la 5G sera déployée avec une bonne couverture d'ici 5 ans

* la pérennité du réseau SIGFOX est incertaine, celle de LORA moins risquée puisqu'elle n'est pas liée à un seul opérateur
## la gestion des futurs flux de données

Les flux de données générées par les objets connectés le seront essentiellement sur des clouds privés ou publics gérés via des plateformes. En particulier les plateformes fournies par :

* Microsoft :azure: accords avec CISCO ou AVNET

* Google cloud IOT: accord du 10/2/2021 avec SIGFOX

* Amazon: AWS (Amazon web services), déjà utilisé pour ses objets connectés les objets connectés d'AMAZON utiliseront le réseau LORA (accord de septembre 2020 avec semtech) qui permettra une extension du réseau domestique Amazon sidewalk à l'extérieur avec une portée étendue à environ 1km

* La taille de ces mastodontes est une garantie qu'il n'y aura pas saturation des clouds.

Le développement de plateformes privées peut bénéficier soit des briques de base des 3 plateformes soit de celles développées par des sociétés informatiques qui seront, de facto, moins ouvertes.

Etant donné la multiplicité des solutions logicielles déjà existantes il est peu économique de faire développer de nouvelles plateformes ex nihilo. Des sociétés proposent des personnalisations de plateformes existantes.

Des solutions avec de « gros » partenaires industriels (IBM, CAP GEMINI, ATOS, etc.) sont aussi envisageables, elles seront néanmoins certainement plus couteuses.
# 5 Les réseaux de télécommunications

## 5.1.1 Glossaire « réseaux »

* **Réseau** : terme générique qui signifie « ensemble de dispositifs interconnectés »

* **message** : l'information échangée entre deux systèmes informatiques (les données des capteurs par exemple).

* **paquets** : suites de bits constituant une partie d'un message, (le message peut être découpé en plusieurs paquets).

* **Trame** : c'est l'organisation d'un message pour son envoi.

<table><caption>Tableau 5 trame d'un message fictif :</caption><thead><tr><td>Adresse du capteur</td><td>Code d'émission</td><td>Données capteurs</td><td>Code de vérification</td></tr></thead><tbody><tr><td>8 bits</td><td>4bits</td><td>16 bits</td><td>4 bits</td></tr></tbody></table>

* **BUS** : conducteur ou ensemble de conducteurs permettant de véhiculer des signaux électriques

* **routage** : action (effectuée par un routeur) qui permet la réception, l'aiguillage et la redirection des informations circulant sur un réseau (les informations peuvent être « descendantes », venant d'un serveur, ou montantes, allant vers un serveur).

* **concentrateur/coordinateur** : permet de connecter plusieurs dispositifs sur une même entrée d'un ordinateur (hub USB par exemple) par extension, un dispositif recevant les données de plusieurs capteurs pour les renvoyer vers un routeur pour être qualifié de concentrateur ou coordinateur

* **Passerelle** : est le nom générique d'un dispositif permettant de relier deux réseaux informatiques de types différents, par exemple un réseau local et le réseau Internet ou des capteurs et le réseau internet via un modem-routeur internet (live box par exemple) Un modem-routeur peut prendre le nom de passerelle par extension Cependant, le terme passerelle désigne plus couramment le modem-routeur² ou box qui permet de relier un réseau local au réseau Internet. Une passerelle effectue donc le routage des paquets de données mais peut également effectuer des traitements plus évolués sur ceux-ci. Le plus souvent, elle sert également de pare-feu, de proxy, effectue de la qualité de service, etc.

Un exemple de passerelle « low cost » : une carte raspberry (environ 40 €)

* **Proxy** : Un proxy est un composant logiciel informatique qui joue le rôle d'intermédiaire en se plaçant entre deux hôtes pour faciliter ou surveiller leurs échanges. Dans un réseau informatique, un proxy est un programme servant d'intermédiaire pour accéder à un autre réseau, généralement Internet. Par extension, on appelle aussi « proxy » un matériel comme un serveur mis en place pour assurer le fonctionnement de tels services (fourni en général par le FAI (fournisseur d'accès à internet). Dans le modèle OSI, le proxy se situe au niveau de la couche application (la n°7, HTTP, FTP, SSH, etc.).

* **Pare-feu** (firewall) est un logiciel et/ou un matériel assurant la sécurité du réseau, c'est-à-dire le respect des types de communications autorisés sur ce réseau informatique. Il surveille et contrôle les applications et les flux de données

* **Latence** : délai d'attente entre la demande de données et leur réception (suivants les réseaux peut varier de quelques millisecondes (5G) à quelques secondes (NB-IoT))

* **Message d'acquittement** (acknowledgment) : message renvoyé par le récepteur qui confirme la bonne réception du message
## 5.2 Préambule

Les scenarios suivants de réseaux de capteurs environnementaux sont proposés à partir des réseaux de transmission LORA, SIGFOX, ou GSM (2, 3, 4 ou 5G, LTE-M ou NB IoT), seuls réseaux généralistes suffisamment déployés en France et en Europe. Le WIFI et Bluetooth peuvent aussi être utilisés lorsqu'un accès à internet est disponible à très courte distance.

Les réseaux satellitaires KINEIS ou ELO (Eutelsat) sont proposés comme alternative lorsqu'aucun autre réseau terrestre n'est disponible.

Des solutions combinant ces réseaux permettent de répondre à des impératifs de couverture et de couts mais augmentent le développement et la mise en œuvre des réseaux de capteurs.

**Dans tous les cas de figures, il convient, avant toute opération, de dresser l'état de réception des réseaux sur le site que l'on veut instrumenter. Le choix d'un réseau dépendra en premier lieu de ce test.**

Il existe des testeurs pour les réseaux LORA, SIGFOX, 2G 3G 4G (entre 150 et 1000 €). Un simple smartphone permet de tester les réseaux WIFI et BLUETOOTH.

## 5.3 Principe d'un réseau de capteurs

Un réseau de capteurs est constitué d'un ensemble de capteurs reliés à une banque de données par l'intermédiaire de réseaux de télécommunications, de plus en plus de type sans fil, suivi de dispositifs et logiciels de traitement de données, principalement internet et des plateformes. Des passerelles relais maillent un territoire pour faire transiter les signaux de plusieurs capteurs vers internet. Le dimensionnement des mailles dépend de la portée des signaux émis par les capteurs.

<figure><img src="image_3.png" /><figcaption>Figure 1 : schema de principe d'un réseau de capteurs sans fil (RECORD 2021)</figcaption></figure>
## 5.4 Protocoles

Le vocable « protocole » désigne aussi bien des logiciels que des couches logiciels, c'est-à-dire des logiciels permettant à différents systèmes électroniques/informatiques de communiquer entre eux.

Le nombre de couches logicielles formant un système complet peut aller jusqu'à 7. Les protocoles gérant l'internet en contiennent 4.

Les protocoles gérant les réseaux de capteurs, peuvent être une combinaison subtile de couches logicielles puisque plusieurs éléments constituent un réseau de capteurs :

* Le capteur lui-même qui transforme une grandeur physique en une grandeur électrique (analogique ou digitale)

* Le microprocesseur/microcontrolleur qui pilote les capteurs

* L'émetteur inclus ou non dans le microprocesseur/microcontrolleur

* La passerelle qui reçoit les informations du capteur et son identification

* Le routeur qui envoi les données vers internet

* Internet qui stocke les données et les restitue via des applications sur smartphone ou PC

Chacun des éléments du réseau de capteurs est programmé à l'aide d'un logiciel différent. Ce qui explique la complexité de tels réseaux de capteurs.

Il existe des plateformes de développement pour chacune des couches logicielles rendant la tache de développement plus aisée pour les développeurs.

Le développement d'un réseau de capteurs nécessite des multi-environnements de développements et donc des bureaux d'études multi compétences.

Le problème majeur en informatique est la multiplicité des protocoles propres à chaque constructeur de système ou sous système rendant difficile les interconnexions entre dispositifs de marques différentes.

Pour tenter de remédier à ce Babel de l'informatique, des architectures « standards » ont été définies sous forme de normes par des structures internationales pour permettre l'interfaçage ou l'interchangeabilité entre les cartes et systèmes électroniques.

Dans le domaine des cartes/systèmes électroniques les modèles OSI et TCP/IP sont les plus répandus.

### Analogie avec le monde physique : métaphore du colis postal

Le transfert de données d'un point à un autre se passe comme celui d'un colis ou d'une lettre acheminée par un transporteur :

On devra définir :

* l'expéditeur

* l'adresse d'expédition et le récipiendaire,

* le transporteur

* le délai d'acheminement (plus ou moins rapide, prioritaire ou non)

* le moyen d'acheminement (air ou terre)

* une assurance ou non

* une qualité d'acheminement

* l'information de bonne réception (recommandé accusé avec réception

* la possibilité de retour si le colis n'a pas été délivré et la raison du retour

* le contrôle de la qualité de réception (colis endommagé ou non)

* le cout du transport

Ces concepts ont tous leur équivalent en informatique. auxquels s'ajoutent les étapes du circuit d'acheminement transparentes/invisibles pour l'expéditeur :

* les adresses temporaires des zones de transit (les multiples codes barrent sur les colis),

* les multiples sous-traitants prenant en charge les colis

* les plateformes de transfert (les hubs)

Pour sécuriser un envoi, il est parfois nécessaire d'envoyer plusieurs colis pour être sûr qu'au moins un arrivera à destination ou diviser le colis en plusieurs sous colis et le reconstituer à l'arrivée.

En informatique, les colis sont, par exemple, des « paquets », les adresses des expéditeurs sont des adresses IP, la structuration des adresses (nom, rue, ville etc.) des trames, les adresses des zones de stockages des MAC (media access control), les accusés de réception des « acknowledgment », etc.

Chaque fois que vous discuterez avec un informaticien vous lui demanderez de transcrire ses termes « barbares » ou « anglicisés » en termes de logistique transport. Vous y gagnerez en rapidité de compréhension.
# Modèles de Couches logicielles

Les couches logicielles permettent l'interconnexion entre les ordinateurs (au sens large chaque système « intelligent » qui contient un microprocesseur ou microcontrolleur)

## Le modèle OSI

Le modèle OSI (Open Systems Interconnexion) a défini 7 couches logicielles, indépendamment de la structure interne et de la technologie (des puces). Il a été défini par une norme ISO 7498 (version initiale en 1978). Il ne constitue pas un protocole mais créé un cadre permettant d'en définir.

Chacune des couches rend un ensemble de services spécifiques à la couche supérieure au travers d'interfaces appelées "Services Accès Point" (SAP).

<table><caption>Figure 2 diagramme OSI</caption><thead><tr><th></th><th>Couche</th><th>Fonction</th><th></th></tr></thead><tbody><tr><td rowspan="4">Couches hautes<br>(ex : relais GSM/ordinateur/ smartphone/ Datacenter/cloud serveurs)</td><td rowspan="3">Donnée (data)</td><td>7 Application</td><td>Point d'accès aux services réseau</td></tr><tr><td>6 Présentation</td><td>Gère le chiffrement et le déchiffrement des données, convertit les données machine en données exploitables par n'importe quelle autre machine<br>(ASCII, Unicode, MIME etc.)</td></tr><tr><td>5 Session</td><td>Communication Inter host, gère les sessions entre les différentes applications</td></tr><tr><td>Segment/ Datagramme</td><td>4 Transport</td><td>Connexion de bout en bout, connectabilité et contrôle de flux ; notion de port (TCP et UDP)</td></tr><tr><td rowspan="3">Couches matérielles, dites basses<br>(exemple les capteurs)</td><td>Paquets</td><td>3 Réseau</td><td>Détermine le parcours des données et l'adressage logique (adresse IP, IPv4 ou IPv6 etc.)</td></tr><tr><td>Trames</td><td>2 Liaison</td><td>Adressage physique (adresse MAC)<br>(Ethernet, token ring, wifi, bluetooth, zigbee, IrDA etc)</td></tr><tr><td>Bits</td><td>1 Physique</td><td>Transmission des signaux sous forme numérique ou analogique (électronique, radio, laser)</td></tr></tbody></table>
## Le protocole (modèle) TCP/IP

TCP/IP désigne une architecture réseau, mais cet acronyme désigne en fait 2 protocoles étroitement liés :

* TCP (Transmission Control Protocol) un protocole de transport, qu'on utilise « par-dessus » un protocole réseau,

* le protocole internet IP (Internet Protocol).

Ce qu'on entend par « modèle TCP/IP », c'est une architecture réseau en 4 couches dans laquelle les protocoles TCP et IP jouent un rôle prédominant, car ils en constituent l'implémentation la plus courante. Par abus de langage, TCP/IP peut donc désigner deux choses : le modèle TCP/IP et la suite de deux protocoles TCP et IP.

Le modèle TCP/IP s'est progressivement imposé comme modèle de référence en remplacement du modèle OSI.

L'origine du modèle TCP/IP remonte au réseau ARPANET. (Réseau de télécommunication conçu par l'ARPA l'agence de recherche du ministère américain de la défense. Outre la possibilité de connecter des réseaux hétérogènes, ce réseau devait être moins vulnérable que le réseau téléphonique habituellement utilisé pour les télécommunications. Il a alors été convenu qu'ARPANET utiliserait la **technologie de commutation par paquet**.

Les protocoles TCP et IP furent inventés en 1974.

Ce n'est pas une norme mais un standard.

## Les avantages du TCP/IP par rapport à OSI

* Les constructeurs fournissent TCP/IP en version de base de beaucoup de systèmes UNIX (BSD en particulier La Berkeley Software Distribution est un système d'exploitation dérivé d'Unix et originaire de l'université de Californie à Berkeley.).

* - Des solutions d'interconnexion (LAN-WAN des réseaux sans fil IoT) ont été normalisées entre les protocoles TCP/IP et X25

* -Beaucoup d'applications et de produits n'utilisent que TCP-UDP/IP comme protocole de communication et en font ainsi un standard.

* TCP/IP sur Ethernet est la solution réseau local la plus employée actuellement.

## Inconvénient du TCP/IP

* Le protocole IP n'est pas sécurisé (perte de données possible puisqu'il n'y a pas d'accusé de réception des données)
## Comparaison simplifiée (graphique) OSI et TCP/IP

<figure><img src="image_4.png" /><figcaption>Tableau 6 comparaison modèle OSI vs TCP/IP</figcaption></figure>

## Les protocoles spécifiques pour l'internet des objets :

### MQTT

C'est un protocole pour le dialogue M2M (machine vers machine) qui utilise le protocole TCP/IP. Il permet la programmation de carte « simples » de type raspberry pour réaliser un réseau de capteurs (dans le schéma ci-dessous, les capteurs utilisent un microprocesseur ESP8266 avec transmission WIFI).

<figure><img src="image_5.png" /></figure>

### REST

Protocole concurrent de MQTT

### CoAP

Constrained Application Protocol

C'est l'équivalent du protocole http pour l'IoT. Il est utile pour les échanges avec les capteurs.
## Langages informatiques/plateformes de développement :

Les programmes informatiques sont réalisés à l'aide de langage plus ou moins faciles à utiliser

Les plus courants actuellement sont :

* C, C++ (C plus plus), C# (C sharp), Java, JavaScript, PHP, Python, HTML
  (développement de sites internet)

On parle d'environnement logiciels (operating systems ou OS) graphiques) sur lesquels sont développées les applications

Les OS Les plus courants :

* GNU/Linux (open source donc gratuit)

* Windows (Microsoft)

* iOS (Apple)

* Android (Google et open hanset alliance)

Pour programmer les puces utilisées dans les réseaux les fabricants mettent à disposition des plateformes de programmation, par exemple :

* Texas Instrument : code composer

* STMicroélectronics : ARM mbed™ IoT Device Platform

* Silicon labs : Gecko OS

La réalisation complète d'un réseau sans fil de capteurs implique la maitrise de tous les niveaux de programmation, ce qui peut être le fait d'une seule personne (rare) ou d'un petit bureau d'étude de quelques personnes.

Le développement logiciel est, de loin, le poste le plus onéreux dans la réalisation d'un réseau de capteurs.

## 5.5 La sécurité des réseaux

Quelques évidences qu'il faut malgré tout avoir en tête lors du choix d'un système :

* Le niveau de sécurité des réseaux informatiques doit être traité en fonction de l'importance que l'on accorde aux données que l'on traite et au niveau du risque encourut.

* plus un système est ouvert, plus sa sécurité est fragile, les virus internet sont de bons exemples de défauts de sécurité du WEB.

* Les réseaux sans fil, du fait des transmissions à travers le domaine public (l'espace) sont plus vulnérables que des systèmes filaires (câbles électriques ou fibres optiques)

Les réseaux « privés » sur internet : des mesures de sécurisation supplémentaires peuvent être mise en place pour augmenter le niveau de sécurité des réseaux empruntant les voies de transmission publiques du WEB

* Exemple : le protocole VPN (Virtual private network) permet de bénéficier d'une liaison quasiment privée sur le WEB.

Les réseaux GSM (utilisant des cartes SIM et fonctionnant dans des fréquences sous licence), NB-IOT LTE-M, sont réputés bénéficier d'une plus grande sécurité que les réseaux sur fréquences libres ISM (WIZE, LORA, SIGFOX)

## Codage/cryptage des données

Le principe du codage (encryptage ou chiffrement) des données repose sur l'utilisation de clés (key) que le récepteur et l'émetteur partagent pour coder au niveau de l'émetteur) et décodeur au niveau du récepteur)

Le plus utilisé, sécurisé et connu est l'AES (Advanced Encryption Standard) qui traite à chaque fois des paquets de 128 bits (16 octets). Il utilise des clés de 128,192 ou 256 bits.

Le chiffrement AES est dit symétrique car il utilise la même clé pour chiffrer et déchiffrer

La communication de la même clé à l'émetteur et au récepteur se fait grâce à un algorithme asymétrique, qui diminue les risques d'interception. Cette gestion de clé de chiffrement est un paramètre déterminant dans le niveau de sécurité.

Certains fabricants de circuits électriques proposent d'augmenter la sécurité en rajoutant des clés supplémentaires sur les circuits de manière à ce que l'émetteur et le récepteur disposent de mêmes clés non transmises.

Les réseaux WI-F sont sécurisés entre autres par le protocole WPA-PSK (wiFi protected acces et pre shared key) dans lequel l'utilisateur (ou le configurateur du réseau) définit au préalable une clé de 8 caractères ou plus.
Les fabricants de puce pour réseaux sans fil intègrent généralement un chiffrement AES128, ce qui sécurise les premiers niveaux d'échange de données dans les réseaux IoT.

La sécurité d'un réseau implique la sécurisation de chacune de ses mailles (sécurité de bout en bout), ce qui signifie une complexité d'autant plus grande que le réseau comprend d'éléments.

Les réseaux sous licence, plus chers, bénéficient d'une meilleure sécurité que les réseaux ouverts.

## 5.6 Qualité de services (QoS, quality of service)

Comme son nom l'indique c'est un paramètre servant à qualifier la qualité d'un réseau c'est-à-dire sa facilité à acheminer toutes les données.

La qualité de service dépend de beaucoup de paramètres

* Sensibilité aux interférences

* L'encombrement des réseaux

* Le sous dimensionnement (une seule passerelle pour de trop nombreux capteurs)

* Possibilité de recevoir un accusé de réception (acknowledgment) pour garantir la bonne réception des données (mais consomme plus d'énergie)

* Informatique sans « plantage », (par exemple : préférer des systèmes sous linux ou Unix plutôt que Microsoft)

* La robustesse des logiciels utilisés à chaque niveau

Les réseaux utilisant des fréquences sous licence (les réseaux avec cartes SIM) sont réputés avoir un meilleur QoS, mais sont plus chers. Les fréquences sous licence sont plus contrôlées que les fréquences libres dont la règle du d'occupation maximum peut facilement être transgressée amenant des interférences.

Le choix dépendra des conséquences de la perte de données et de la valeur que l'on accorde aux données.

## 5.7 Maintenabilité/obsolescence/pérennité/évolutivité/saturation

**Maintenance** : comme tout produit, un réseau de capteurs est sujet à maintenance, il faut vérifier

L'obsolescence de ses éléments constitutifs : la disponibilité de certains éléments d'un réseau peut faire défaut au bout de quelque temps (c'est aussi valable pour les logiciels)

**Pérennité** : lorsqu'un maillon d'un réseau dépend d'une seule société, la pérennité de cette société doit être évaluée avec lucidité (exemple SIGFOX)

**Évolutivité** : La possibilité d'une évolution grâce à de nouvelles technologies apparaissant au fil des années doit aussi être prise en compte dans la décision d'investissement d'une configuration

* exemple : un réseau sous dimensionné en débit ne sera pas capable d'accepter de nouveaux capteurs ou des capteurs plus performants envoyant plus de données.

**Saturation des réseaux** : c'est un élément à étudier lors du choix d'un réseau mais il n'est pas toujours facile de l'anticiper ni d'évaluer ses conséquences en terme de qualité de service (QoS)

* exemple : la bande des 2.4 GHz utilisée par la WIFI qui peut transiter beaucoup de données est susceptible de perturber un réseau zigbee basé sur la même bande de fréquence

## 5.8 Interfaçage des capteurs (environnementaux)

Un capteur mesure une grandeur physique ou physico chimique et la transcrit en grandeur électrique, courant ou tension puis un circuit électronique transforme ce signal en un signal, analogique ou digital apte à être interfacé à un équipement. automates programmables, PC ou afficheurs.

Un protocole de communication est inclus dans les capteurs délivrant des signaux numériques (digitaux) : USB, RS232, CAN etc.

De plus en plus de capteurs environnementaux sont maintenant munis d'un circuit électronique d'interface pour communiquer sur les réseaux sans fils (capteurs IOT), ils ne sont malheureusement pas en accès libre mais en général liés à un réseau verrouillé par le fabricant qui propose un traitement des données propre à ses capteurs.

La provenance de capteurs de fabricants différents rend difficile l'intégration des données dans une même base de données.

Une standardisation des protocoles d'échanges de données des capteurs n'est pas à attendre dans un futur proche. C'est pourquoi le développement de plateformes de traitement de données universelles est l'unique solution pour s'adapter aux différents protocoles et réseaux de capteurs. D'où leur prolifération.
Les capteurs utilisant les réseaux GSM, munis de carte SIM, réclament une gestion des abonnements qui justifie l'utilisation de plateformes « device management » (gestion des modules) en amont du traitement des données (« data management »), une gestion supplémentaire dont ne souffrent pas les réseaux de fréquence libre LPWAN de type LORA, SIGFOX (ou propriétaire) ou seule l'identification du module émetteur (MAC) est nécessaire.

Les divers interfaces capteurs :

Les interfaces sont les liaisons à la fois physiques et logicielles qui permettent aux capteurs de communiquer les grandeurs électriques (digitales ou analogiques) au microprocesseur.
Les tensions de sorties des capteurs doivent être compatibles avec les tensions d'entrées des microprocesseurs, en général les tensions des nouveaux circuits sont de l'ordre de 0 à 5V ou 0 à 3.3V.

Interfaces analogiques (variation continue proportionnelle à la grandeur mesurée)

* **Courant 4-20 mA** : un convertisseur courant tension suivi d'un convertisseur analogique digital transforme le courant en signal digital dans l'équipement

* **Tension analogique** (exemple 0-5V ou 0 à 12 V) : un circuit ADC (Analog digital convertor ou convertisseur analogique digital) transforme le signal analogique en signal digital dans l'équipement

Interfaces digitaux

* Les bus filaires industriels (pour connexion sur des réseaux filaires) : **RS232, CAN, MODBUS, IO-LINK, INTERBUS** etc.,
quasiment chaque « gros » fabricant a défini son propre bus de données pour «fidéliser» ses clients

* **USB** : autre bus filaire essentiellement destiné à l'interfaçage avec les ordinateurs

* Les bus sur circuits imprimés (ne sortent pas des capteurs mais servent de lien entre le capteur et le microprocesseur interne au capteur) : **I2C, SPI, UART** sont les 3 protocoles majeurs de communication microprocesseur
## Intégration de la fonction réseau dans les capteurs ou modules capteurs :

* La carte électronique recevant les signaux des capteurs est aussi munie d'un circuit émetteur/récepteur (transmetteur ou transceiver) qui va assurer l'envoi des données sur le ou les réseaux considérés. Le transceiver est parfois intégré au circuit intégré microprocesseur. l'ensemble s'appelle alors un SOC (system on chip) dont le cout est moindre et la programmation plus aisée. Le fabricant y intègre souvent le protocole des réseaux ou fournit les codes de du protocole visé. Les SOC sont en général multiprotocoles.

* Le cout de la fonction émission dans la carte électronique « capteur » est de 1 à 3 euros (cout de la puce transceiver)

* L'interfaçage d'un capteur dans un réseau sans fil est maintenant classique et ne présente pas de difficulté particulière. Les circuits électroniques spécifiques (SOC) sont disponibles chez plusieurs fabricants.

* L'existence de SOC plutôt que des modules à composants séparés signifie que les protocoles réseaux ont atteint une certaine maturité. C'est un élément à prendre en compte dans le choix d'une solution.

## 5.9 L'autonomie énergétique des capteurs d'un réseau

Dans les réseaux sans fil un problème majeur des capteurs est leur possible absence de source pérenne d'alimentation, surtout s'ils sont éloignés d'habitations.

L'autonomie dépend de la consommation des capteurs, de leur volume (plus grande batterie intégrable), du nombre et de la fréquence de remontées des informations,

Les capteurs peuvent être mis dans différents états pour diminuer leur consommation :

* -mode actif : le capteur est opérationnel (consommation de plusieurs mW)

* mode veille : le capteur attend un signal du réseau pour se réveiller (consommation du récepteur)

* mode sommeil profond : réveil automatique du capteur à intervalle fixe, entre 2 réveils la consommation est très basse (ordre du nA possible)

Le choix du type de réseau dépend souvent de cet aspect autonomie :

* Les réseaux utilisant le réseau GSM (2G, 3G, 4G, 5G) ont une faible autonomie sous batterie (quelques mois) du fait de leur forte puissance d'émission nécessaire et le mode actif permanent, il faut prévoir des sources de réalimentation (ex : panneaux solaires)

* Les nouveaux réseaux IoT utilisant le réseau GSM, le LTE-M et NB IoT sont prévus pour être de faible consommation, les capteurs pouvant être mis en mode PSM (power saving mode, mode d'économie d'énergie), se réveillant de manière programmée

* Si le besoin d'autonomie est de quelques années sans possibilité de réalimentation il faut se tourner vers les réseaux de type LPWAN (LORA, SIGFOX, propriétaire, ZIGBEE, WM-BUS, WIZE etc.)
## 5.10 Les sources d'énergie possibles pour les capteurs autonomes

### Les batteries non rechargeables

* les batteries au lithium ion permettent une autonomie de plusieurs années avec des capteurs basés sur les puces à consommation ultra basse, désormais courantes chez les fabricants de circuits intégrés (tous les formats existent, de la pile bouton miniature d'une capacité de 30mAh à la pile de 100x70x70mm de plus de 30 000 mAh)

Les sources d'énergie avec stockage sur batterie rechargeables ou supercondensateurs :

* **solaire**

* panneaux solaires photovoltaïque un panneau de 10cmx10cm suffit à assurer quelques émissions GMS de 2 secondes par jour c'est la technologie la plus simple et la plus fiable qu'il faut dimensionner en fonction de la région A privilégier pour tous les modules capteurs en extérieur

* **éolien**

* petites éoliennes : encombrantes, visibles, pièces en mouvement donc maintenance

* **hydrolien**

* énergie tirée d'un liquide en mouvement faisant tourner une hélice liée à une génératrice, très sensible à des défauts d'étanchéité, solution très anecdotique

* **thermoélectricité**

* récupération de la différence de température entre 2 sources grâce à l'effet Seebeck, inverse de l'effet Peltier utilisé dans les modules du même nom, bien connu pour leur utilisation comme régulateur thermiques BMW utilise la thermoélectricité pour récupérer de l'électricité au niveau des pots d'échappement) le rendement n'est pas bon (15% du rendement de Carnot qui est 1-Tf/Tc ou Tf =température de la source froide et Tc =température de la source chaude en kelvin)

* à utiliser lorsque 2 sources à des températures différentes existantes (air/eau)

* **électromagnétique**

* récupération de l'énergie des ondes électromagnétiques environnantes : une antenne et une diode redresseuse suivie d'un régulateur de tension suffisent pour charger un condensateur. Il faut se trouver dans un environnement « chargé » en ondes électromagnétiques pour espérer recharger ses batteries : solution anecdotique

* principe utilisé dans les transpondeurs passifs (comme dans les cartes à puces sans contact) portée très courte

* on pourrait utiliser un faisceau micro-ondes (directionnel) pour envoyer de l'énergie à distance mais cela peut poser des problèmes de sécurité (systèmes et santé)

* **électromécanique**

* on utilise le mouvement d'un aimant proche d'une bobine, qui génère un courant. L'aimant est fixé sur une pièce mobile (par exemple agitée par le vent ou les bruits), c'est le principe de certains microphones, ou hauts parleurs Bonne alternative à l'éolien tournant

* **vibratoire** : on utilise les vibrations de fréquences acoustiques ou ultrasonores dans la matière. Les déplacements étant plus faible on peut utiliser la piézoélectricité (ex : au bord de routes) ou la triboélectricité :

* **dispositifs piézoélectriques**

* céramique sur laquelle une masse appuie (microphones à membrane plate)

* plastique : un polymère élastique piézoélectrique, le PVDF (Polyfluorure de vinylidène) qui génère de l'électricité quand on le déforme

* **triboélectricité** : le frottement de 2 isolants engendre de l'énergie électrostatique qui peut être récupérée
* énergie tirée d'un électrolyte (pile)

* un environnement liquide chargé en sels minéraux peut constituer une pile si on y plonge 2 électrodes (eau de mer, vin etc.). La corrosion des électrodes peut être problématique à long terme. L'électrolyte peut être renouvelée naturellement (mer, cours d'eau)

* bioenergie

* énergie produite par des réactions chimiques de bactéries ou levures (piles microbiennes) le problème est l'alimentation en combustible (il faut être dans un milieu liquide qui permet le renouvellement des nutriments)
5.11 Les réseaux de télécommunications adaptés aux capteurs

Nous décrirons les réseaux aptes à gérer des capteurs environnementaux. Vous trouverez en annexe
une liste plus complète des réseaux de télécommunications existants et leur domaine d'utilisation.

4 types principaux :

* Les réseaux utilisant les réseaux télécom GSM déployés pour les téléphones portables, avec une couverture nationale et internationale. Ces réseaux sont gérés par des opérateurs de télécom, l'accès nécessite un abonnement leur débit est nettement supérieur à celui nécessaire pour les capteurs. Leur portée peut atteindre plusieurs kilomètres.

* Les réseaux longue distance LPWAN (low power wide area network de type LORA, SIGFOX), de portée plusieurs kilomètres : certains ont une couverture nationale voire internationale (SIGFOX, LORA ...), avec ou sans abonnement. Leur portée peut atteindre 15 km, leur débit est faible mais suffisant pour des capteurs. Leur consommation est très faible et on peut espérer une autonomie de plusieurs années avec une pile.

* Les réseaux satellitaires permettant des liaisons là ou aucun réseau terrestre n'est présent

* Les réseaux locaux courte distance LAN (local area network de type wifi, bluetooth), de portée inférieure à 100 mètres, qui sont reliés à internet et donc concurrencent les réseaux longue distance lorsqu'un accès à internet est possible grâce à une box ou un modem 4G. Cette solution est très économique et ne nécessite pas d'abonnement (sauf celui d'un box standard)

Pour constituer un réseau complet on peut mixer les 4 solutions, des exemples de tels réseaux composites sont à découvrir dans les scenarios envisagés ci-dessous

Le tableau suivant liste les paramètres principaux des réseaux de télécommunications sans fil utilisables pour connecter des capteurs.
<table><caption>Tableau 7 : réseaux pouvant constituer des réseaux de capteurs (RECORD 2021)</caption><thead><tr><th>paramètres</th><th>LORA opérateur</th><th>LORA privé</th><th>SIGFOX</th><th>4G LTE-M</th><th>NB-IOT</th><th>GSM M2M (3G, 4G, 5G)</th><th>wifi</th><th>Bluetooth</th><th>satellite</th></tr></thead><tbody><tr><td>Portée</td><td>1 à 15 km</td><td>1 à 15 km</td><td>1 à 20 km</td><td>1 à 10 km</td><td>1 à 10km</td><td>0 à 5 km</td><td>&lt;50m</td><td>&lt;50m</td><td>700 km</td></tr><tr><td>débit</td><td>Entre 12 octets (5 paramètres) toutes les 6.2 s et toutes les 147 s</td><td>Entre 12 octets (5 paramètres) toutes les 6.2 s et toutes les 140s</td><td>140 msg de 12 octets/jour</td><td>1Mb/s</td><td>20 kb/s</td><td>3G &lt;42 Mb/s<br>4G &lt; 300 Mb/s</td><td>&lt;140 Mb/s</td><td>&lt;3 Mb/s</td><td>200 bits/s</td></tr><tr><td>consommation</td><td>++</td><td>++</td><td>++</td><td>--</td><td>+</td><td>---</td><td>--</td><td>-</td><td>+</td></tr><tr><td>Immunité aux interférences</td><td>++</td><td>++</td><td>-</td><td>+</td><td>+</td><td>++</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+</td></tr><tr><td>Qualité de services</td><td>++</td><td>+</td><td>-</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+++</td><td>+</td></tr><tr><td>mobilité</td><td>oui</td><td>non</td><td>moyenne</td><td>oui</td><td>moyenne</td><td>oui</td><td>non</td><td>non</td><td>oui</td></tr><tr><td>localisation</td><td>&lt;100m</td><td>non</td><td>&lt;1km</td><td>&lt;100</td><td>sans</td><td>&lt;1km</td><td>&lt;100m</td><td>&lt;100m</td><td>&lt;150m</td></tr><tr><td>sécurité</td><td>+</td><td>0</td><td>-</td><td>++</td><td>++</td><td>++</td><td>+</td><td>+</td><td></td></tr><tr><td>Cout abonnement</td><td>12 €/an par module émetteur</td><td>0 €</td><td>9€/an par module émetteur</td><td>15€/an</td><td>10 €/an par module émetteur</td><td>24€/an par module émetteur</td><td>0 €</td><td>0 €</td><td>50 €/an</td></tr><tr><td>Cout module émetteur</td><td>5 à 15€</td><td>5 à 15 €</td><td>10€</td><td>60€</td><td>60€</td><td>50 €</td><td>2€</td><td>2€</td><td>50 €</td></tr><tr><td>Cout passerelles</td><td>0 € (Si nécessaire 300 à 1000 €)</td><td>50 à 1000€</td><td>700 € (réémetteur éventuel)</td><td>Sans</td><td>sans</td><td>sans</td><td>box</td><td>box</td><td>sans</td></tr><tr><td>modules connectables / passerelle</td><td>300 à 1000</td><td>300 à 1000</td><td>1 000 000</td><td>&gt;100 000</td><td>&gt;100 000</td><td>&gt;100 000</td><td>250</td><td>7</td><td>?</td></tr><tr><td>Cout accès plateforme</td><td>5 à 25 €/mois</td><td>0 €</td><td>?</td><td>5 à 25€/mois</td><td>10 €/mois</td><td>5 à 25 €/mois</td><td>0 €</td><td>0 €</td><td>?</td></tr><tr><td>couverture</td><td>Nationale en surface : 95%</td><td>&lt; 10 km² par passerelle</td><td>Nationale en surface :80%</td><td>98% de la population</td><td>Nationale (en surface) 50%</td><td>Entre 70% et 99% (surface)</td><td>Dans les bâtiments</td><td>Dans les bâtiments</td><td>internationale</td></tr><tr><td>Pérennité</td><td>++</td><td>++</td><td>--</td><td>+++</td><td>++</td><td>+++</td><td>++++</td><td>++++</td><td>7 ans</td></tr><tr><td>opérateurs</td><td>Orange, Bouygues télécom, européens et internationaux</td><td>aucun</td><td>SIGFOX et partenaires (internationaux)</td><td>Orange, Bouygues télécom, européens et internationaux</td><td>SFR, européens et internationaux</td><td>Operateurs internationaux</td><td>Aucun</td><td>aucun</td><td>KINEIS EUTELSAT</td></tr></tbody></table>
## Réseau LORA, opérateurs LORA (Orange ou Bouygues Télécom en France) :

Le réseau LORA, basé sur le protocole LORAWAN, toutes deux marques déposées de SEMTECH, est un réseau de type LPWAN (low power wide area network) développé depuis 2009 (comme SIGFOX).

Il fonctionne sur les bandes de fréquences libres à 868 MHz en Europe.

La portée maximum est de l'ordre de 15 km en champ libre (sans obstacle).

Le débit maximum d'un réseau sur fréquence libre (LORA ou SIGFOX) est fixé par la règle des 1%, qui est le temps d'occupation maximum de la bande de fréquence en heure glissante, c'est-à-dire 36 secondes par heure.

* Pour le réseau LORA, le débit des données dépend du paramètre spreading factor (SF) qui peut prendre la valeur de 1 à 12.

* Un SF12 permet d'aller plus loin (15km en champ libre) qu'un SF1 mais le débit est plus faible.

* Avec un SF7 la portée est d'environ 3 km mais réduite en cas d'obstacle (bâtiment, végétation, colline) à quelques centaines de mètres mais un débit.

Plusieurs réseaux nationaux LORA sont proposés par des opérateurs avec abonnements, mais il existe aussi des réseaux publics à couverture nationale et internationale basés sur des passerelles mises à dispositions gratuitement par des particuliers ou des universités. Ces derniers ne présentent pas un niveau de sécurité et de couverture apte à des projets industriels.

Le réseau LORA a l'avantage d'être proposé aussi comme réseau local privé sans abonnement permettant de ramener des données de centaines de capteurs, repartis sur une surface de plusieurs kilomètres carrés, vers une passerelle (gateway), elle même connectée soit directement à un ordinateur, une livebox par ethernet ou wifi, soit connectée à un réseau operateur de type GSM (M2M c'est-à-dire échangeant des données grâce à des réseaux 2G, 3G,4G LTE, et bientôt 5G).

Cette solution LORA local est très économique sur le plan matériel.

Lorsque le nombre de capteurs installés est faible et si la zone est couverture par un réseau LORA, on peut envoyer directement les données sur le réseau LORA sans utiliser de passerelle.

## Réseau SIGFOX, opérateur SIGFOX :

Ce réseau présente l'intérêt de la longue portée (2 à 20 km suivant la configuration du relief et des obstacles) et de la bonne couverture à l'international sans avoir à changer d'opérateur par région.

Le débit maximum du réseau est de 140 messages par jour de 12 octets (équivalent à environ 5 paramètres) c'est-à-dire un message toutes les 10 mn. Il n'est donc pas adapté aux communications qui nécessitent plus de rapidité dans les échanges.

Un inconvénient majeur réside dans le risque de non pérennité de la société SIGFOX, le business model semble avoir surévalué le marché de l'IOT longue distance et la concurrence de LORA sous-évalué. Une première vague de licenciement intervient fin 2020 (14 % des effectifs).

L'autre facteur de risque est le verrouillage total du circuit des données par la société SIGFOX.

## Le NB-IOT :

C'est un réseau basé sur les relais 4G, prêt pour la 5G.

C'est une bonne alternative aux réseaux SIGFOX et LORA, plus sécurisé, qui permet une bonne autonomie. Le temps de latence de quelques secondes n'est pas gênant pour des réseaux de remontée de données capteurs.

Seul SFR business propose ce réseau en France, les 2 autres opérateurs ayant misé sur LORA ou le LTE-M (plus industriel du fait de sa faible latence).

### Délai de mise en place du réseau (hors développement/interfaçage des capteurs) : environ 3 mois

**Couverture** : Très répandu dans l'est de l'Europe. 20 000 antennes 4G couvrent la France en septembre 2020 (en comparaison Orange 23000 et Bouygues 19300) la surface couverte ne représente qu'environ 50% du territoire.
## Le LTE-M (Long-Term Evolution for Machines) a été conçu pour l'IoT (Internet of Things).

Ce réseau utilise aussi les réseaux 4G existants et fonctionne sur les fréquences basses (en France entre 700 et 800 MHz) et grâce au protocole CAT-M1 qui permet d'améliorer l'accessibilité de tous les objets connectés.

Le LTE-M optimise également la consommation énergétique de ses objets grâce à la mise en veille (Power Saving Mode). C'est aussi une solution sécurisée puisqu'elle utilise l'authentification des cartes SIM. Chaque opérateur utilise une bande de fréquence dédiée.

Les réseaux mobiles LTE sont commercialisés sous l'appellation « 4G » par les opérateurs de nombreux pays,

Il est prévu que LTE-M soit compatible avec la 5G mais il faudra veiller à ce que les dispositifs connectés soient munis de transmetteurs aptes à fonctionner aux fréquences de la 5G, 3.6GHz et supérieur.

## GSM M2M :

Réseau de données basé sur les réseaux 2G, 3G et 4G des téléphones mobiles. Des cartes SIM multi opérateurs permettent d'avoir une accessibilité européenne et mondiale.

Ces réseaux sont gourmands en énergie, les capteurs ne pourront pas être autonomes sans une source d'énergie durable (panneaux solaires)

## WIFI et BLUETOOTH :

Réseaux de transmission bien connus du public, ils équipent les smartphones et presque tous les équipements électriques. Le WIFI sert principalement à communiquer rapidement avec des box le Bluetooth (et surtout le Bluetooth BLE, pour Bluetooth low energy) sert à la communication entre « petits » dispositifs électroniques de type montres vers les Smartphones.

Ces 2 réseaux sont libres d'accès, de faible portée (quelques dizaines de mètres), d'un débit très largement supérieur au besoin capteur, ils sont suffisants et très économiques pour connecter des capteurs dans des environnements proches de routeur internet (livebox, freebox etc.)
## 5.12 Les typologies/scénarios réseaux proposés pour 7 configurations de sites

Vous trouverez ci-dessous 7 typologies de réseaux de capteurs qui regroupent tous les cas de figure que l'on peut rencontrer. Ces scénarios concernent aussi bien la qualité de l'air, de l'eau et des sols.

La seule différence entre l'air l'eau ou les sols est le fait que la partie émettrice des capteurs pour analyser l'eau ou les sols est placée au niveau du sol (ou du cours d'eau), donc la portée sera plus faible que celle des capteurs d'air se positionnant en hauteur. On se référera au tableau montrant la dépendance de la portée avec la hauteur des antennes.

Pour les domaines de l'eau ou des sols, l'allongement des antennes de quelques mètres ne pose pas de difficulté. Au contraire, le fait de déporter la fonction antenne par un simple câble coaxial (2 €/mètre) peut permettre de dissimuler une antenne (qui est simplement constituée par le câble coaxial dénudé sur une longueur variant entre 3 et 6 cm qui est recouverte d'un plastique protecteur). Donc si vous faites développer des capteurs eau ou sol demandez impérativement des connecteurs pour y raccorder des antennes pouvant atteindre plusieurs mètres.

**Scenario 1** : Surveillance qualité de l'air et de l'eau et des sols en France de :

* zone type dépollution de sols en milieu urbain

* dimension 200 m x 200 m

* transmission des données : 5 paramètres à la minute

**Scénario 2** : Surveillance qualité de l'air de l'eau et des sols en Europe de :

* Un site pollué

* Ou un site industriel ou urbain mal desservi en internet

* Ou un site d'enfouissement des déchets

* Transmission des données : 5 paramètres par minute

**Scenario 3** : Surveillance qualité de l'air de l'eau en Europe de :

* Un site industriel ou abord site industriel ou urbain bien desservi en internet, Surface totale 2x2 km

* Transmission des données : 5 paramètres par minute

**Scénario 4** : Surveillance qualité de l'air de l'eau et des sols en Europe de :

* Installation d'enfouissement de déchets

* Transmission des données : 5 paramètres toutes les 15 à 30 mn

**Scénario 5** : Surveillance qualité de l'air de l'eau et des sols dans un endroit du globe non couvert par un réseau terrestre :

* Transmission des données : 5 paramètres toutes les 15 à 30 mn

**Scenario 6** : Surveillance qualité de l'air par un ensemble de capteurs mobiles (véhicules, vélo, bus) :

* Débit de données non spécifié

**Scénario 7** : Surveillance qualité de l'air de l'eau et des sols dans des espaces confinés souterrains :

* (métro, tunnels, mines, rivières et cavités souterraines)
<table><thead><tr><th>Scénario 1</th><th colspan="3">Surveillance qualité de l'air en France dans :<ul><li>zone type dépollution de sols en milieu urbain, dimension 200 m x 200 m</li><li>transmission des données (5 paramètres) à la minute</li></ul></th></tr><tr><th></th><th>Réseau proposé</th><th>Marques (exemples)</th><th>Prix indicatif</th></tr></thead><tbody><tr><th>réseau</th><td><ul><li>LORA local puis opérateur M2M (2, 3,4G LTE-M ou NB-IOT)</li><li>Ou LORA opérateur si 1 ou 2 modules suffisent</li></ul></td><td><ul><li>ORANGE</li><li>BOUYGUES TÉLECOM</li><li>SFR (NB IOT)</li><li>Carte SIM multi opérateurs</li></ul></td><td>Abonnement de 12 € /an par passerelle connectée ou module connecté</td></tr><tr><th>passerelle</th><td><ul><li>LORA vers GSM (2, 3 ou 4G, LTE-M ou NB IOT)</li><li>Sans passerelle si solution avec LORA opérateur existe</li></ul></td><td><ul><li>KERLINK</li><li>MULTITECH</li><li>DRAGINO</li><li>Sans passerelle</li></ul></td><td><ul><li>615 €</li><li>350 €</li><li>50 € (1 canal)</li><li>0€</li></ul></td></tr><tr><th>capteurs</th><td>Munis chacun d'un Module LORA<br/>Ou plusieurs capteurs sur un même module (qui peut en accueillir au moins dix)</td><td><ul><li>Modules MURATA</li><li>Puce STmicroélectronics</li></ul></td><td><ul><li>12 € / module</li><li>5 € /puce</li></ul></td></tr><tr><th>Débit maximum</th><td>Réseau local LORA<ul><li>En mode moyenne portée SF7 (3km sans obstacles ou 300 avec) : 5 paramètres toutes les 6.2 secondes. Ce qui permet de raccorder 10 modules capteurs</li><li>Réseau opérateur GSM : pas de limitation de débit ni de nombre de capteurs</li></ul></td><td></td><td></td></tr><tr><th>Développement Logiciel</th><td>Cout sous traitance : entre 20 000 et 50 000 euros (sans développement des capteurs et leur raccordement à un module LORA)<ul><li>Programmation de la passerelle et des modules LORA</li><li>Personnalisation d'une plateforme cloud publique ou privée</li></ul></td><td></td><td></td></tr><tr><th>Niveau de difficulté</th><td>Faible</td><td></td><td></td></tr><tr><th>Délai de réalisation</th><td>Entre 3 et 6 mois</td><td></td><td></td></tr><tr><th>Autonomie des modules capteurs</th><td>Plusieurs années avec pile AA (suivant le nombre d'émissions)</td><td></td><td></td></tr><tr><th>Autonomie de la passerelle</th><td>Panneau solaire nécessaire (40x60 cm)</td><td></td><td></td></tr><tr><th>remarques</th><td>La sécurisation du site peut être nécessaire</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_6.png" /><figcaption>Figure 3 scénario 1 : site pollué en FRANCE sans couverture LORA (Orange ou Bouygues Télécom) ou couverture LORA mais de nombreux modules capteurs (> 10) et sans accès internet (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<figure><img src="image_7.png" /><figcaption>Figure 4 scénario 1 bis : site pollué en France avec couverture LORA (Orange ou Bouygues Télécom) et peu de modules capteurs (<10) (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th>Scenario 2</th><th colspan="3">Surveillance qualité de l'air en Europe de :<ul><li>Un site pollué</li><li>Ou un site industriel ou urbain mal desservi en internet</li><li>Ou un site d'enfouissement des déchets</li></ul>Transmission des données (5 paramètres) par minute</th></tr><tr><th></th><th>Réseau proposé</th><th>Marques (exemples)</th><th>Prix indicatif</th></tr></thead><tbody><tr><th scope="row">réseau</th><td>LORA (local) puis GSM M2M multi operateur (carte SIM)</td><td><ul><li>Things mobile</li><li>EMnify</li></ul></td><td>0.1€ /Mo (0.6 €/an pour 5 paramètres)</td></tr><tr><th scope="row">passerelle</th><td>LORA vers GSM (2, 3 ou 4G, LTE ou NB IOT)<br>1 ou plusieurs passerelles suivant la surface à couvrir et les obstacles</td><td><ul><li>KERLINK</li><li>MULTITECH</li></ul></td><td>615 €<br>350 €</td></tr><tr><th scope="row">capteurs</th><td>Munis chacun d'un Module LORA<br>OU plusieurs capteurs sur un même module (qui peut en accueillir au moins dix)</td><td><ul><li>Modules MURATA</li><li>Puce STmicroélectronics</li></ul></td><td>12 € / module<br>5 € /puce</td></tr><tr><th scope="row">Débit maximum</th><td colspan="3">Les ou les réseaux locaux LORA programmés en moyenne portée permettent chacun le débit de 5 paramètres par minute<br>Les réseaux GSM pour le rebasculement des données de la ou des passerelles sont surdimensionnés pour gérer les messages de 5 paramètres (12 octets), qui peuvent être envoyés en très grands nombres par minute</td></tr><tr><th scope="row">Développement</th><td colspan="3">Cout sous traitance : entre 50 000 et 150 000 euros (sans développement des capteurs et leur raccordement à un module LORA)<ul><li>Gestion des cartes Sim</li><li>Programmation de la passerelle et des modules LORA</li><li>Personnalisation d'une plateforme cloud publique ou privée</li><li>Rapatriement des données sur la plateforme</li></ul></td></tr><tr><th scope="row">Niveau de difficulté</th><td colspan="3">moyen</td></tr><tr><th scope="row">Délai de réalisation</th><td colspan="3">Entre 6 et 12 mois</td></tr><tr><th scope="row">Autonomie des modules capteurs</th><td colspan="3">Plusieurs années avec pile AA (suivant le nombre d'émissions)</td></tr><tr><th scope="row">Autonomie de la passerelle</th><td colspan="3">Panneau solaire nécessaire (40x60 cm)</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_8.png" /><figcaption>Figure 5 scénario 2 :site pollué ou industriel mal desservi en internet ou site d'enfouissement des déchets en Europe (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th>Scenario 3</th><th colspan="3">Surveillance qualité de l'air en Europe de :<br/>• Un site industriel ou abord site industriel ou urbain bien desservi en internet, Surface totale 2x2 km<br/>Transmission des données (5 paramètres) par minute</th></tr><tr><th></th><th>Réseau proposé</th><th>Marques (exemples)</th><th>Prix indicatif</th></tr></thead><tbody><tr><th>réseau</th><td>LORA (local) puis connexion box ethernet/ wifi</td><td>• Aucun opérateur (hormis celui de la box)</td><td>0. €</td></tr><tr><th>passerelle</th><td>LORA vers ethernet/wifi 1 ou plusieurs passerelles suivant la surface à couvrir et les obstacles</td><td>• KERLINK<br/>• MULTITECH<br/>• DRAGINO</td><td>615 €<br/>350 €<br/>50 €</td></tr><tr><th>capteurs</th><td>Munis chacun d'un Module LORA<br/>Ou plusieurs capteurs sur un même module (qui peut en accueillir au moins dix)</td><td>• Modules MURATA<br/>• Puce STmicroélectronics</td><td>12 € / module<br/>5 € / puce</td></tr><tr><th>Débit maximum</th><td colspan="3">Le ou les réseaux locaux LORA programmés en moyenne portée permettent chacun le débit de 5 paramètres par minute (un envoi de données toutes les 6.2 secondes maximum)</td></tr><tr><th>Développement</th><td colspan="3">Cout sous traitance : entre 20 000 et 50 000 euros (sans développement des capteurs et leur raccordement à un module LORA)<br/>• Programmation de la passerelle et des modules LORA<br/>• Personnalisation d'une plateforme cloud publique ou privée</td></tr><tr><th>Niveau de difficulté</th><td colspan="3">faible</td></tr><tr><th>Délai de réalisation</th><td colspan="3">Entre 3 et 6 mois</td></tr><tr><th>Autonomie des modules capteurs</th><td colspan="3">Plusieurs années avec pile AA ((suivant le nombre d'émissions)</td></tr><tr><th>Autonomie de la passerelle</th><td colspan="3">Panneau solaire nécessaire (40x60 cm)</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_9.png" /><figcaption>Figure 6 scénario 3 : site pollué ou industriel, bien desservi en internet en Europe (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th>Scenario 4</th><th colspan="3">Surveillance qualité de l'air en Europe de :<br/>• Installation d'enfouissement de déchets<br/>Transmission des données (5 paramètres) toutes les 15 à 30 mn</th></tr><tr><th></th><th>Réseau proposé</th><th>Marques (exemples)</th><th>Prix indicatif</th></tr></thead><tbody><tr><td>réseau</td><td>SIGFOX<br/>Ou LORA (voir scenario 2)</td><td>• SIGFOX</td><td>3 à 9 euros/an par module SIGFOX</td></tr><tr><td>passerelle</td><td>Sans ou si nécessaire un ré émetteur (micro gateway)</td><td>• Yadom</td><td>500 €</td></tr><tr><td>capteurs</td><td>Munis chacun d'un Module SIGFOX<br/>Ou plusieurs capteurs sur un même module (qui peut en accueillir au moins dix)</td><td>• Modules MURATA<br/>• Puce STmicroélectronics</td><td>12 € / module<br/>5 € /puce</td></tr><tr><td>Débit maximum</td><td colspan="3">5 paramètres maximum toutes les 10 mn</td></tr><tr><td>Développement</td><td colspan="3">Cout sous traitance : entre 20 000 et 50 000 euros (sans développement des capteurs et leur raccordement à un module LORA)<br/>• Programmation des modules SIGFOX<br/>• Personnalisation d'une plateforme cloud publique ou privée</td></tr><tr><td>Niveau de difficulté</td><td colspan="3">faible</td></tr><tr><td>Délai de réalisation</td><td colspan="3">Entre 3 et 6 mois</td></tr><tr><td>Autonomie des modules capteurs</td><td colspan="3">Plusieurs années avec pile AA (suivant le nombre d'émissions)</td></tr><tr><td>Autonomie de la passerelle</td><td colspan="3">Sans passerelle (si besoin, un panneau solaire conviendrait)</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_10.png" /><figcaption>Figure 7 scénario 4 : zone d'enfouissement des déchets en Europe, Sigfox (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th colspan="4">Scenario 5<br>Surveillance qualité de l'air dans un endroit du globe non couvert par un réseau terrestre :<br>Transmission des données (5 paramètres) toutes les 15 à 30 mn</th></tr><tr><th></th><th>Réseau proposé</th><th>Marques (exemples)</th><th>Prix indicatif</th></tr></thead><tbody><tr><th scope="row">réseau</th><td>satellitaire</td><td><ul><li>KINEIS</li><li>EUTELSAT (ELO)</li></ul></td><td>36 euros/an par module</td></tr><tr><th scope="row">passerelle</th><td>Sans</td><td></td><td></td></tr><tr><th scope="row">capteurs</th><td>Munis chacun d'un Module<br>Ou plusieurs capteurs sur un même module (qui peut en accueillir au moins dix)</td><td><ul><li>Modules KINEIS</li></ul></td><td>50 € / module</td></tr><tr><th scope="row">Débit maximum</th><td colspan="3">15 paramètres maximum toutes les 20 mn (temps de revisite avec 20 satellites)</td></tr><tr><th scope="row">Développement</th><td colspan="3">Cout sous traitance : entre 50 000 et 100 000 euros (sans développement des capteurs et leur raccordement à un module KINEIS)<ul><li>Programmation des modules</li><li>Personnalisation d'une plateforme cloud publique ou privée</li></ul></td></tr><tr><th scope="row">Niveau de difficulté</th><td colspan="3">faible</td></tr><tr><th scope="row">Délai de réalisation</th><td colspan="3">Entre 3 et 6 mois à partir de 2022</td></tr><tr><th scope="row">Autonomie des modules capteurs</th><td colspan="3">Panneau solaire indispensable ou batterie volumineuse</td></tr><tr><th scope="row">Autonomie de la passerelle</th><td colspan="3">Sans passerelle</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_11.png" /><figcaption>Figure 8 scenario 5 : zone sans aucun reseau terrestre (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th>Scenario 6</th><th colspan="3">Surveillance qualité de l'air par un ensemble de capteurs mobiles (véhicules, vélo, bus) : Débit de données non spécifié</th></tr><tr><th></th><th>Réseau proposé</th><th>Marques (exemples)</th><th>Prix indicatif</th></tr></thead><tbody><tr><th scope="row">réseau</th><td>LORA ou M2M (2, 3,4G LTE-M ou NB-IOT) (il faut un réseau national voire international)</td><td><ul><li>ORANGE</li><li>BOUYGUES TÉLECOM</li><li>SFR (NB IOT)</li><li>Ou Carte SIM multi opérateurs</li></ul></td><td>Abonnement de 12 € /an pour Lora ou Sigfox<br>Abonnement de 60 €</td></tr><tr><th scope="row">passerelle</th><td colspan="3">Sans passerelle</td></tr><tr><th scope="row">capteurs</th><td>Munis chacun d'un Module Ou plusieurs capteurs sur un même module (qui peut en accueillir au moins dix)</td><td><ul><li>Modules correspondant au réseau choisi</li></ul></td><td>12 € à 50 €/ module</td></tr><tr><th scope="row">Débit maximum</th><td colspan="3">Si réseau LORA / Débit dépendant de la portée : 5 paramètres toutes 6.2 secondes jusqu'à 5 paramètres toutes les 39 mn<br>Si réseau opérateur GSM : pas de limitation de débit ni de nombre de capteurs</td></tr><tr><th scope="row">Développement Logiciel</th><td colspan="3">Cout sous traitance : entre 20 000 et 50 000 euros (sans développement des capteurs et leur raccordement à un module LORA)<ul><li>Programmation de la passerelle et des modules LORA</li><li>Personnalisation d'une plateforme cloud publique ou privée</li></ul></td></tr><tr><th scope="row">Niveau de difficulté</th><td colspan="3">faible</td></tr><tr><th scope="row">Délai de réalisation</th><td colspan="3">Entre 3 et 6 mois</td></tr><tr><th scope="row">Autonomie des modules capteurs</th><td colspan="3">Plusieurs années avec pile AA (suivant le nombre d'émissions et le type de réseau)</td></tr><tr><th scope="row">Autonomie de la passerelle</th><td colspan="3">N.A</td></tr><tr><th scope="row">remarques</th><td colspan="3">La localisation peut se faire avec le réseau LORA (sans GPS), 10 à 100 mètres de précision. Mais il est préférable d'avoir la position GPS.</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_12.png" /><figcaption>Figure 9 scénario 6 : capteurs mobiles (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<table><thead><tr><th>Scenario 7</th><th colspan="3">Surveillance qualité de l'air dans des espaces confinés souterrains : (métro, tunnels, mines</th></tr><tr><th></th><th>Réseau proposé</th><th>Marques (exemples)</th><th>Prix indicatif</th></tr></thead><tbody><tr><th>réseau</th><td>Réseau privé en sous-sol et public en sortie LORA privé avec répéteurs 4G LTE avec répéteurs Wifi et répéteurs si la longueur est faible Utilisation possible de la fibre optique pour relier les passerelles</td><td><ul><li>ORANGE</li><li>BOUYGUES TÉLECOM</li></ul></td><td></td></tr><tr><th>passerelle</th><td>passerelle « publique » en sortie d'ouvrage (M2M GSM), plusieurs passerelles privées et répéteurs en sous-sol</td><td><ul><li>Kertlink</li><li>multitech</li></ul></td><td>350 à 1000 €</td></tr><tr><th>capteurs</th><td>Munis chacun d'un Module Ou plusieurs capteurs sur un même module (qui peut en accueillir au moins dix)</td><td><ul><li>Modules correspondant au réseau choisi</li></ul></td><td>12 € à 50 €/ module</td></tr><tr><th>Débit maximum</th><td colspan="3">Si réseau LORA : Débit dépendant de la portée : de 5 paramètres toutes 6.2 secondes jusqu'à 5 paramètres toutes les 39 mn Si réseau opérateur GSM : pas de limitation de débit ni de nombre de capteurs</td></tr><tr><th>Développement Logiciel</th><td colspan="3">Cout sous traitance : entre 50 000 et 150 000 euros (sans développement des capteurs et leur raccordement à un module)<ul><li>Programmation des passerelles, répéteurs et des modules</li><li>Personnalisation d'une plateforme cloud publique ou privée</li></ul></td></tr><tr><th>Niveau de difficulté</th><td colspan="3">élevé</td></tr><tr><th>Délai de réalisation</th><td colspan="3">Entre 6 et 18 mois</td></tr><tr><th>Autonomie des modules capteurs</th><td colspan="3">Plusieurs années avec pile AA ((suivant le nombre d'émissions et suivant le réseau choisit))</td></tr><tr><th>Autonomie de la passerelle</th><td colspan="3">N.A</td></tr><tr><th>remarques</th><td colspan="3">De nombreux essais sont nécessaires pour valider les portées des différents réseaux Le wifi et la 4G pourront être utilisés dans les métros ou ils sont installés (ce qui tend à se généraliser)</td></tr></tbody></table>
<figure><img src="image_13.png" /><figcaption>Figure 10 scénario 7 environnement souterrain (RECORD 2021)</figcaption></figure>
### 5.13 Exemples de modules capteurs du marché avec la fonction réseau (exemple système intérieur et extérieur)

Depuis l'avènement de l'IOT et la disponibilité de microcapteurs de gaz et de cellules de mesure du taux de particules de nombreux modules pour mesurer la qualité de l'air sont apparus sur le marché domestique et professionnel. Ils sont essentiellement issus de petites ou très petites sociétés (<10 salariés) start up.

Ou de multinationales exemple Bosch en partenariat avec Intel : Le système de contrôle de qualité de l'air « Bosch Air Quality Micro Climate Monitoring System » (prix 15k€) avec consultation des résultats dans le cloud Bosch ou Intel

https://www.intel.com/content/dam/www/public/us/en/documents/faqs/bosch-mcms-faq.pdf

Le challenge organisé par AIRLAB nous fournit une bonne évaluation des produits « environnementaux » de ces sociétés qui se divisent en 2 catégories :

**Les stations extérieures connectées :**

Ces stations bénéficient de réseaux longue distance (>1km en environnement urbain) et sont dites industrielles de par leur seul prix de plusieurs milliers d'euros souvent qualifié d'injustifié dans les rapports d'évaluation. Elles nécessitent des abonnements pour avoir accès aux données.

<figure><img src="image_14.png" /><figcaption>Figure 11 schéma de principe d'une station extérieure de mesure de la qualité de l'air connectée (RECORD 2021)</figcaption></figure>
<table><caption>Tableau 8 prix estimatif d'une station de mesure extérieure (hors capteurs)</caption><thead><tr><td>composant</td><td>Prix unitaire (euros)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Module LORA/SIGFOX</td><td>11 à 50</td></tr><tr><td>Circuit imprimé avec composants</td><td>10 à 40</td></tr><tr><td>antenne</td><td>1 à 10</td></tr><tr><td>boitier</td><td>20 à 100</td></tr><tr><td>Assemblage/test</td><td>10 à 50</td></tr><tr><td>Total prix de revient</td><td>52 à 250 euros</td></tr></tbody></table>

Stations intérieures :

Ces stations utilisent le routeur wifi des locaux dans lesquels elles sont placées (rayon de 10 à 50 mètres maximum)

<figure><img src="image_15.png" /><figcaption>Figure 12 schéma de principe d'une station d'analyse de l'air intérieur (record 2021)</figcaption></figure>

<table><caption>Tableau 9 prix estimatif d'une station d'analyse intérieur (hors capteurs)</caption><thead><tr><td>composant</td><td>Prix unitaire (euros)</td></tr></thead><tbody><tr><td>Module Bluetooth/wifi</td><td>10</td></tr><tr><td>Circuit imprimé avec composants</td><td>10 à 20</td></tr><tr><td>boitier</td><td>10 à 20</td></tr><tr><td>assemblage</td><td>1 à 5</td></tr><tr><td>Total prix de revient</td><td>31 à 55 euros</td></tr></tbody></table>

5.14 La gestion des dispositifs (device management)

La gestion d'un parc de capteurs connectés peut s'effectuer via des plateformes mises à disposition par les opérateurs des réseaux télécom ou des sociétés de service spécialisées dans l'IOT (liste en annexe). C'est particulièrement nécessaire lorsqu'on utilise des GSM avec carte SIM liées à des abonnements.
5.15 La gestion des données (data management)

La gestion des données venant des modules capteurs peut s'effectuer via d'autres plateformes développées par des sociétés de services (liste en annexe).

Le cout d'utilisation de ces plateformes est en général proportionnel aux données qui y transitent ou parfois au seul nombre de modules connectés.
# 6 Retour d'expériences sur les réseaux sans fil :

Les réseaux LPWAN de type SIGFOX ou LORA sont récents (<10ans), il existe donc peu de retour d'expériences, principalement des projets expérimentaux projets lancés vers 2016.

Les produits industriels utilisant ces réseaux se concentrent essentiellement sur la localisation (envoi des coordonnées GPS), la mesure de température/humidité, les centrales météo.

Les projets et produits antérieurs de suivis de paramètres utilisent les réseaux GSM (2G, 3G, 4G) et exceptionnellement le système satellitaire ARGOS.

## 6.1 Réseau LORA/LORAWAN

### Supervision énergétique des bâtiments de la ville de Paris (réseau LORA et SIGFOX) :

Extraits du rapport ENS :

Ce projet a été lancé en 2016.

1500 bâtiments publics ont été équipés de sondes IOT pour :

* Envoi de consignes (température et horaires)

* Remontage des alarmes défauts

* Production de données pour optimiser les consommations

Utilisation des réseaux LORA d'Objenious (Bouygues télécom) et Sigfox.

La confidentialité des échanges est requise.

Maitrise d'œuvre : Eiffage énergie

Les capteurs provenaient de la société Connit (aujourd'hui fermée), température/humidité et compteur impulsionnel.

Les modules sont de la société Nemeus, proposent Sigfox et Lora, le choix entre les 2 est fait après une période d'évaluation et de comparaison de 15 jours (qui dépend de la couverture des 2 réseaux)

Les sondes en Sigfox envoient 3 fois la donnée pour sécuriser d'où une consommation supérieure : LORA a été retenu pour la majorité des sondes

149 sondes sur 3963 ne communiquent plus, 149 n'ont jamais communiqué (car placées en sous-sol)

Plusieurs sociétés sont intervenues dans la réalisation :

* Eiffage

* Connit

* Sigfox

* Objenious

* Technilog (développement d'un serveur et interfaçage avec le superviseur historique)

* ATOS (sécurisation des données)

**Serveurs** : celui d'Objenious dont les données sont récupérées par le serveur DevIO de Technilog qui les transmet au superviseur Panorama qui stocke les données et peut les restituer sur mobile

**Bilan** :

* La supervision du confort des salles accueillant du public est acquise pour un cout d'installation très faible

* Une supervision limitée des chaufferies non rénovées
# Retour d'expérience d'un déploiement LORAWAN à Strasbourg

Une expérimentation a été lancée en 2016 par un laboratoire spécialisé dans les technologies de l'IOT : Icube (UMR 7357, CNRS) : [article de présentation du projet](https://www.cube.inra.fr/en/research-and-people/research-people/research-projects/iceube)

Autres participant à ce projet : l'Eurométropole de Strasbourg et la société Strataggem

Les gateway (passerelles) LORA ont été faites sur mesure par la société Strataggem (start up Strasbourgeoise) pour permettre une analyse fine du fonctionnement, ce que ne permettaient pas les passerelles disponibles (Cisco, Kerlink, Multitek etc.)

Les modules (end devices) choisis sont similaires identiques à ceux du projet [mind4stormwater](https://www.mind4stormwater.com)

<figure><img src="image_16.png" /><figcaption>Modem Microchip RN2483 (10€) : contient le protocole LORA</figcaption></figure>

<figure><img src="image_17.png" /><figcaption>Arduino (mega, FIO): carte microcontrolleur (24 €)</figcaption></figure>

<figure><img src="image_18.png" /></figure>
Arduino MKR1300 (35 €). carte Arduino munie d'un modem LORA de Murata

<figure><img src="image_19.png" /></figure>

Pycom LOPY (V1 et V4) (30 €): carte avec microcontrolleur (esp32) et module LORA/Sigfox

<figure><img src="image_20.png" /></figure>

Cout des passerelles : 210 €

* carte raspberry pour piloter la passerelle

* Un concentrateur LORA (peut recevoir simultanément plusieurs signaux sur 8 canaux)

* Boitier, alimentation, antenne simple

Serveurs informatiques :

Utilisation d'un gestionnaire de cloud : Opennebula

Infrastructure : les concentrateurs LORA (1000 €) déploiement sur les toits (1000 € par toit)

La portée d'antennes a été évaluée :

<table><caption>Figure 13 : influence de l'antenne sur la portée LORA</caption><thead><tr><td>Type d'antenne</td><td>Portée observée</td></tr></thead><tbody><tr><td>Intérieure 20 cm</td><td>1km</td></tr><tr><td>Intérieure type trident 50 cm</td><td>4 km</td></tr><tr><td>Extérieure omnidirectionnelle 100 cm</td><td>15 km (70 km avec un ballon sonde)</td></tr></tbody></table>
Bilan de ce projet :

1. Un pré projet de déploiement d'instruments connectés à l'aide de **réseaux maillés zigbee**
c'est révélé trop contraignant car la distance maximale de 50 mètres entre chaque nœud
nécessitait un réseau trop dense.

2. mise en évidence de l'importance du positionnement des antennes (confirmée par le tableau précédent

3. importance du formatage des données transmises

4. il faut soigner les mises à jour par le réseau (OTA, over the air) pour homogénéiser le système (possible avec les pycom)

5. nécessité d'installer des **systèmes ouverts** (capteurs, groupe de capteurs, modules capteurs) pour faciliter les interfaçages et éviter l'obsolescence en cas de disparition d'une société : utiliser des modules prêts à l'usage qu'il suffit d'enregistrer sur toute plateforme et activer

6. avec quelques dizaines de milliers d'euros on peut couvrir une ville autorisant des objets connectés partout

7. intérêt financier de posséder sa propre infrastructure LORAWAN qui permet d'éviter les offres verticales segmentées (réseaux de capteurs spécifiques avec traitement spécifique)
# Gestion innovante des actifs pluviaux dans les villes du futur (projet mind4stormwater) (réseau LORA)

Projet soutenu dans le cadre de des projets de R&D Horizon 2020 de la communauté européenne planning : 2018-2021

Les partenaires sont

* L'université de Lyon 1

* Le laboratoire DEEP de l'INSA de Lyon

* L'université de Melbourne (Waterway ecosystem research group)

Mind4Stormwater, financé par l'Europe vise à aider les villes à parvenir à une gestion durable de leurs « mesures de contrôle des eaux pluviales » (sigle SCM en anglais pour « stormwater control measures ») Les mesures de contrôle des eaux pluviales font référence à des solutions fondées sur la nature dédiées à la gestion des eaux pluviales, atténuant les impacts négatifs des réseaux de canalisations d'eaux pluviales traditionnelles. Ces techniques sont souvent appliquées à ou près de la source de ruissellement : rigoles, tranchées d'infiltration, toitures végétalisées ou routes poreuses, etc. Les SCM sont apparus dans le monde entier au cours des dernières décennies, ce qui signifie que leur gestion à long terme est loin d'être assurée. Les questions opérationnelles et de recherche se sont jusqu'à présent largement concentrées sur l'optimisation des performances hydrologiques, hydrauliques et de qualité de l'eau. Cependant, il existe une préoccupation croissante concernant la gestion durable à long terme et son impact sur les performances et les coûts. Une telle préoccupation limitera probablement l'application et le développement des SCM. D'autre part, l'exploitation et la maintenance de SCM pourraient créer de nouvelles opportunités commerciales liées aux capteurs, à la surveillance et à la gestion des actifs. Selon l'ONU, investir 188 milliards de dollars américains pour gérer les eaux pluviales et préserver la qualité de l'eau aux États-Unis pourrait générer 265 milliards de dollars américains d'activité économique et créer près de 1,9 million d'emplois. La situation est probablement très similaire avec les 600 000 emplois directs dans le secteur des services d'eau de l'UE.

Mind4Stormwater adaptera les capteurs technologiques à faible coût existants au contexte spécifique des SCM et développera un système expert innovant pour guider le gestionnaire des services publics dans la sélection des meilleures actions O&M pour chaque SCM. Le système expert sera développé sur une étude de cas australienne avec une base d'actifs de 500 SCM. Il sera ensuite adapté pour les villes françaises et un projet d'adaptation pour les villes européennes sera développé. Mind4Stormwater s'attaque à un problème majeur qui émerge dans le monde entier. Une série d'activités de sensibilisation permettra également de sensibiliser le public à l'importance majeure de la gestion intégrée de l'eau urbaine.

## Le projet a consisté dans

1) le développement d'une plateforme de test des capteurs de niveau en laboratoire (utilisation d'une carte Arduino)

2) tests sur le terrain avec envoi sur le réseau LORAWAN

3) test en Australie dans des zones non desservies par un réseau public

Le système déployé en Australie est constitué de cartes de développement Arduino muni d'un module LORA (MKR1300) auquel on rajoute une horloge (RTC) et un module de stockage de données (SD card)

Ce module MKR1300 reçoit les données d'un capteur de hauteur d'eau et température via un protocole public spécifique SDI-12 utilisé pour les capteurs hydrologiques. Il stocke les données dans la SD carte et l'envoi, via le protocole LORA, vers une passerelle LORA constituée de la même carte MKR1300 elle-même pilotée par une carte « électron » de la société Particle qui apporte une connectivité 3G à l'aide d'une carte SIM.

Une plateforme de la même société Particle assure le transfert des données vers Google spreadsheet
<figure><img src="image_21.png" /><figcaption>Figure 14: projet Mind4Stormwater : schéma simplifié du réseau de capteurs</figcaption></figure>

## Bilan (provisoire)

* Le réseau Sigfox est bien déployé en Australie (mieux que LORA), c'est l'inverse en France

* Les réseaux sur fréquence libre (Sigfox Lora) seraient plus sujets à interférences que les réseaux sous licence (NB IOT LTE)

* Importance du long terme et de la maintenabilité des systèmes

## Projet CENSE :

* Un projet de R&D a été lancé, CENSE, piloté par l'IFFSTAR avec la ville de Lorient comme site d'expérimentation qui utilise les lampadaires pour hébergement des capteurs et le réseau LORA de Bouygues Télécom'. Les capteurs de bruits sont reliés au réseau filaire CITIBOX qui pilote les lampadaires

* Les capteurs de bruits servent de passerelle LORA aux capteurs de bruits sans fil placés à 30/50 mètres des lampadaires. Le projet se finit en 2021

## 6.2 Réseaux cellulaires (GSM)

### Le réseau de mesure des niveaux d'eau SCHAPI multiprotocoles

**3200 stations en service utilisée par le SCHAPI pour prévoir les crues (informations du SCHAPI) :**

Schapi : Service Central d'Hydrométéorologie et d'Appui à la Prévision des Inondations (service du Ministère de l'Ecologie, du Développement Durable et de l'Energie) implanté à Toulouse, administre la banque et gère les services associés à HYDRO. Il en assure également les évolutions.

* Réseaux cellulaires IP privé (GPRS, 3G, 4G) 66%

* Le reste : ADLS, satellites, internet hertzien (IP privé), RTC (réseau téléphonique fixe avec modem supprimé en 2023) en cours de basculement vers le réseau cellulaire IP (

* Sur les cours d'eau les plus réactifs (changements brusques) des systèmes radio propriétaires

* LORA et LTE-M seront testés à partir de 2021

* En Guyane les satellites ARGOS sont utilisés
## Gestion des déchets

### Sigrenea (rachetée en 2016 par SUEZ)

Sigrenea commercialise une solution clés en main de gestion intelligente de la collecte de déchets. Cette solution associe des capteurs à ultrasons, installés dans les conteneurs et recueillant des données de remplissage, avec un outil de visualisation et d'analyse de ces données.

Cela permet aux opérateurs chargés du ramassage des ordures, sur la base de données en temps réel et d'historiques, de mieux planifier les itinéraires.

## AIRLAB : 500 microcapteurs fixes et mobiles déployés (réseau GSM 2, 3,4G)

Projet en cours lancé par AIRLAB et remporté par LA POSTE (sa filiale DOCAPOST qui gère l'inter connectivité).

* Les capteurs du système ATMOTRACK sont développés par la société nantaise 42factory (pme de 10 personnes).

* Chaque centrale de mesure peut analyser : PM1, 2.5, 10, NO2, CO, NH3

* A Paris 450 centrales sont montées sur des véhicules de la poste 50 sur des vélos et 10 en poste fixe.

* D'autres centrales fonctionnent à NANTES LYON et à l'étranger (Afrique, Espagne Belgique, Pays Bas, Mexique).

* Le réseau utilisé est GSM 2G qui va bientôt passer en 3G et 4G.

* Les réseaux LPWAN (Lora Sigfox) ne sont pas utilisés puisqu'il faut pouvoir reconfigurer les centrales facilement (OTA, on the air) par le réseau sans accès physique aux centrales.

* Le nombre de données, mesures toutes les secondes et transmission toutes les 10 secondes, plaide pour l'utilisation des réseaux GSM M2M.

Le choix pour le réseau GSM M2M a été motivé par la quantité de données qui émanent des capteurs

## Réseau permanent de mesure de bruit de la Métropole de Lyon :

Le réseau permanent de mesure et de suivi du bruit sur le territoire de l'agglomération de la Métropole de Lyon, **acoucité**, existe depuis 2004 et est constitué de 19 stations de mesure.

La transmission se fait par le réseau 4G ou par ethernet (filaire).

Plusieurs autres villes utilisent le même système.

## 6.3 Quelques exemples de produits industriels

### Utilisant le réseau LORA

* Module sentinel du groupe CAHORS qui permet de surveiller les réseaux électriques moyens tension

* Gestion de flotte de véhicules bennes avec déchets de terres excavées (hesus ubysol)

* Suivi de la température de container de froid (JRI), réseau LORA orange et plateforme liveobjects

* Suivi de benne et container N'track de Ela innovation

* Les compteurs d'eau de Birdz (filiale de Veolia et Orange)

* Vinci autoroutes : Tester les usages sur une aire de repos de grand passage (Aire de Boutroux) avant d'en généraliser le déploiement

* Stations météo

### Utilisant le réseau SIGFOX
* Gestion du parc de remorques de Total (via Stela)

* Tracking des tableaux électriques sur chantier pour lutter contre les vols (Legrand)

* Tracking des colis (DHL)

* Sécurité (FREEBOX)

* Stations météo

## Utilisant le réseau cellulaire 2G/3G/4G

* Plusieurs variétés de capteurs de suivi de la qualité de l'eau de consommation, de surface, par Birdz (filiale de Veolia)

* Inflowmatix (Suez actionnaire) : réseaux de capteurs de pression dans les conduites d'adduction d'eau pour surveiller les efforts et anticiper les ruptures utilisation du réseau 3G car le flux de données est trop important. L'autonomie par pile est de 3 ans grâce à pré analyse dans le capteur et une compression de données
## 6.4 Statuts de la R&D sur les réseaux de capteurs

Les réseaux de capteurs sans fil ne constituent pas un domaine de recherche spécifique. C'est un sous domaine de l'informatique et de l'électronique.

### Les sujets porteurs (type de réseaux, problématique)

Les laboratoires publics traitent principalement des sujets de sécurité (cryptage, qualité de services) et de saturation des réseaux. Les réseaux étudiés pour l'IOT sont essentiellement LORA et SIGFOX

### Les laboratoires publics français concernés par l'IOT

* l'institut des nanotechnologies de Lyon : réseaux de capteurs sans fil à très basse énergie

* l'IRIT (institut de recherche en informatique de Toulouse) : réseaux d'objets connectés sans fil et IOT

* Le laboratoire d'informatique de Grenoble (LIG) : département DRAKKAR thèmes : réseaux IOT et sécurité

* Laboratoire des sciences du numérique de Nantes : département RIO, réseaux pour l'internet des objets (réseau de capteurs ultrasons dans les marais salants pour suivre l'évaporation des eaux)

* Laboratoire de physique de Clermont-Ferrand : réseau de capteurs sans fil pour la détection de polluants (CO, NO)

* Labex IMU de Lyon (laboratoires d'excellence, projet intelligences des mondes urbains) : urpolsens (2015) réseau de capteurs sans fil pour le suivi de la pollution urbaine

* Le CITI, (Centre of Innovation in Télécommunications and Integration of Services) : laboratoire associé à l'INSA Lyon et à l'INRIA.
# 7 Analyse critique des différentes solutions proposées

Le choix entre les solutions réseaux proposées, mixtes entre LORA, SIGFOX, GSM M2M, wifi et Bluetooth dépendra bien souvent du choix du sous-traitant qui privilégiera la technologie qu'il connaît bien. Les sous-traitants maitrisant l'ensemble des technologies seront plus à même de choisir une solution optimale qui sera le résultat de compromis.

Les critères de choix, à exprimer dans un cahier des charges, seront principalement :

* La portée des réseaux dans l'environnement considéré : les portées annoncées sont très souvent théoriques et ne correspondent pas à la réalité du terrain, les tests préalables de disponibilités/couverture des réseaux sur sites sont indispensables

* La couverture du réseau : si vous envisagez de déployer un réseau national ou européen ou international il faut vérifier la couverture des zones et la progression annoncée et effective (l'arcep propose une cartographie qui teste l'adéquation entre données opérateurs et mesures)

* Le débit : pour des réseaux de capteurs, les réseaux GSM (xG, LTE-M, NB-IOT) sont surdimensionnés, compromis entre débit et portée pour LORA, SIGFOX a un faible débit qui peut être suffisant

* La mobilité des capteurs (montés sur des véhicules, des vélos, dans des trains, des bateaux)

* Facilité de mise en œuvre du réseau (minimum d'intermédiaires, choix de solutions sur étagères)

* L'autonomie des capteurs : dans des sites éloignés, non raccordés à un réseau électrique il est préférable d'alimenter avec des panneaux solaires ou de surdimensionner la taille des piles/batteries. Le choix des réseaux est déterminant pour l'autonomie (seuls LORA et SIGFOX vont permettre l'autonomie de plusieurs années avec une pile)

* La possibilité de faire évoluer le réseau sans de nouveaux développements couteux (mettre plus de modules capteurs, changer le logiciel par envoi du nouveau programme sur le réseau (OTA, over the air))

* La pérennité du réseau et de la société qui a développé l'application (l'idéal est de pouvoir récupérer les codes sources de l'application pour les transférer et pouvoir les retravailler)

* La qualité des réseaux : il est très difficile d'obtenir des données qualité sur des produits industriels tant la concurrence est présente

* Cout de la solution : suivant le choix de la solution et des sous-traitants le devis pourrait varier dans un facteur de 1 à 100, de la junior entreprise ou le freelance à la société de service multinationale

## Importance primordiale de la hauteur des antennes, effet de sol

Loin d'être anecdotique, la hauteur des antennes, à la fois du relais et du module capteur, est très importante pour la portée du réseau. Elle peut varier d'un facteur 1 à 20 (200 mètres à 4 km).

Une portée théorique de 10 km au sol peut atteindre 70 km réelle dans l'espace (constaté avec des ballons sondes). Ce qui explique la facilité de communiquer avec des satellites.

Lorsqu'on installe un réseau privé, la passerelle devra être mise le plus en hauteur possible (toits par exemple).

En cas de mauvaise transmission, les modules capteurs au sol (c'est d'autant plus vrai pour les modules capteurs en sous-sol) auront préférentiellement une antenne déportée. Un simple câble coaxial dénuéd sur quelques centimètres à son extrémité fait l'affaire. C'est la stratégie à adopter sur des sites éloignés et mal couverts.

## Portée des réseaux :

Les portées annoncées par les fabricants de puce ou de réseaux sont les portées maximum en conditions de visibilité maximum (line of sight. LOS ou ligne de mire) c'est-à-dire sans obstacle, ne tenant pas compte de la courbure de la terre (on ne voit plus au-delà de 4.7 km à 1.7 mètres de haut, hauteur des yeux, sur un sol plat, la mer par exemple)

Plusieurs paramètres influent sur la portée des réseaux sans fils, les plus importants sont :

* La fréquence d'émission

* La puissance d'émission

* La sensibilité du récepteur

* La hauteur des antennes de l'émetteur et du récepteur (entre 0m de haut et 3m on triple la portée)

* Les obstacles entre l'antenne émettrice et l'antenne réceptrice (végétation, murs)
* Les conditions atmosphériques (humidité, pollution, température, pression, degré d'ionisation de l'air)

Lorsqu'on choisit un réseau et la puissance d'émission maximum, seule la hauteur des antennes est réglable

Un calculateur en ligne permet d'évaluer rapidement l'influence de ces facteurs : [calculateur de portée](#)

Exemple : pour une puissance d'émission de 14 dBm (maximum en France pour la bande ISM)

<table><caption>Tableau 10 portée fonction de la hauteur des antennes</caption><thead><tr><th>(en mètres)</th><th colspan="4">Hauteur de l'antenne relais/passerelle (mètres)</th></tr><tr><th>hauteur antenne module</th><th>1 m</th><th>3 m</th><th>6 m</th><th>12 m</th></tr></thead><tbody><tr><th>0 m</th><td>223</td><td>387</td><td>548</td><td>775</td></tr><tr><th>1 m</th><td>707</td><td>1226</td><td>1734</td><td>2452</td></tr><tr><th>2 m</th><td>1000</td><td>1734</td><td>2452</td><td>3468</td></tr><tr><th>3 m</th><td>1226</td><td>2123</td><td>3003</td><td>4247</td></tr></tbody></table>

Ce tableau montre l'**extrême** **importance de la hauteur d'antenne** du capteur : par exemple, un capteur au sol aura une portée de 387 m alors qu'avec une antenne à 3 mètres sa portée devient 2123 mètres

**On aura donc intérêt à privilégier des antennes extérieures pour les capteurs dans des projets nécessitant une longue ou très longue portée.** Le prix des antennes extérieures de 3 mètres se situe dans la gamme 10 à 20 euros.

### Effet de sol

La nature plus ou moins conductrice des sols influe fortement sur la propagation des ondes électromagnétiques, le sol pouvant jouer un rôle miroir vis-à-vis des ondes ou absorbant. Le taux d'humidité est aussi important et des essais sur sol sec devront être suivis d'essais sur sol mouillé (de manière identique à l'influence du taux d'humidité de l'air).

### Maillage :

Lorsque la portée n'est pas suffisante il faut augmenter le nombre de passerelles lorsque le réseau choisi le permet (moins de 1000 euros pour LORA privé et opérateur et SIGFOX) c'est plus difficile avec le réseau GSM M2M et laissé à la discrétion de l'opérateur.

Dans le milieu urbain ou suburbain les multiples obstacles peuvent rendre aléatoire la bonne réception des signaux. L'ajout de passerelles peut s'avérer judicieux, mais la difficulté de trouver un site pour les mettre sera à prendre en compte (les toits, leur accès et raccordement au réseau électrique). La multiplication des passerelles permet une meilleure localisation par le réseau.
## 7.1 Développer ou faire développer son réseau de capteurs environnementaux

On trouve sur étagère des réseaux de microcapteurs, tels ceux participants à l'Airlab challenge, qui proposent un nombre limité de mesures et pour lesquels le système de traitement de données est verrouillé.

Dès lors que l'on souhaite connecter des capteurs plus complexes ou spécialisé (niveau, pH, gaz divers, etc.), ou traiter des données venant d'autres capteurs, on doit engager une opération plus complexe qu'un simple achat sur catalogue.

La complexité de la chaine IOT est telle, du capteur à l'interface visuel opérateur, et les offres de produits si nombreuses, qu'il est impossible de réaliser un réseau de capteurs soit même.

Un simple assemblage d'éléments achetés chez les distributeurs demandera un certain nombre de connaissances en informatique et électronique.

### Quatre stratégies permettent la mise en place d'un réseau de capteurs opérationnel

La stratégie à retenir va dépendre :

* Des moyens financiers de la société/administration

* Des compétences internes et de leur disponibilité

* D'un planning serré ou non

* Volonté de garder la main sur le système

### 1) sous-traitance intégrale à un bureau d'études/intégrateur (voir des exemples dans le paragraphe intégrateurs)

Le projet est confié à une société extérieure ou à un autre département de la société

* Charge de travail : définition et rédaction du cahier des charges et le choix du sous-traitant

* Niveau de compétence requis : bien maitriser son besoin en mesures, aptitude à la négociation commerciale

* Risque : mauvais choix du sous-traitant (choix technologiques hasardeux, pérennité du sous-traitant et des composants) sous-traitance en chaine, délais en série

* Avantage : garantie de bon achèvement et de maintenance (si sous-traitant pérenne)

* Inconvénient : cout hors de portée des TPE/PME/laboratoires universitaires, délais de réalisation, choix technologiques incontrôlables, position dominante du sous-traitant (modifications ultérieures couteuses), évolution bridée technologiquement par le sous-traitant

Selon la complexité et l'étendue du réseau (local, national) le cout du développement pourra varier de 100 k€ à 2 millions d'euros (voir un exemple de devis) et bien plus pour des projets de grande envergure.

La taille de l'intégrateur peut varier de 1 à 430 000 employés

### 2) maitrise d'œuvre et sous-traitance à plusieurs sous-traitants

Le projet peut être découpé en plusieurs modules, confiés à différents acteurs, vous assurez la maitrise d'œuvre du projet

* Charge de travail : définition de l'architecture du réseau complet, choix des composants, choix des sous-traitants

* Niveau de compétence requis : très bonne connaissance des diverses technologies, aptitude à la gestion de projet

* Risque : mauvais choix de l'architecture des composants ou des sous-traitants,

* Avantage : délais de réalisation (travail en parallèle possible), moins d'impact en cas de défaillance d'un sous-traitant

* Inconvénient : gestion de projet énergivore, pas de garantie de bon achèvement des travaux, responsabilité des problèmes potentiels difficilement adressable, maintenance problématique (qui est responsable ?)

### 3) maitrise d'œuvre sous traitée à un consultant

Même cas de figure que l'option 2, vous rajoutez une interface qui peut palier vos lacunes en technologies. Le choix du consultant est, dans ce cas, déterminant.

### 4) réalisation en interne du réseau avec des composants sur étagère (ou non) et un minimum de programmation

De plus en plus de composants permettent la réalisation de réseaux de capteurs « en kit » mais demandent tout de même de bonnes connaissances en informatique (codage en C, python, PHP, html, etc.)

L'utilisation de plateforme généraliste (de type kheiron), ne nécessitant pas de codage (programmation), peut remplacer la difficulté de personnalisation des plateformes de type azure (Microsoft), AWS (Amazon), Google IoT core
* Charge de travail : dépendra fortement du choix des composants

* Niveau de compétence requis : expertise des diverses technologies dont informatique, aptitude à la gestion de projet

* Risque : mauvais choix de l'architecture et des composants

* Avantage : délais de réalisation (travail en parallèle possible), couts maitrisés, utilisation possible de capteurs « exotiques » sur mesure

* Inconvénient : projet qui peut demander plusieurs mois à une équipe de 2 à 3 personnes
# 8 Conclusions

La première conclusion est la non disponibilité, sur catalogue, de réseaux de capteurs permettant de mesurer tous les paramètres environnementaux réglementés. Seules quelques TPE et PME proposent des centrales de mesure d'une petite partie de la qualité de l'air dont la fiabilité n'est pas totalement satisfaisante au regard des normes et dont les prix reflètent l'absence de maturité de ce marché.

L'intérêt des industriels pour l'internet des objets et donc pour les réseaux sans fil, se concentre avant tout sur le potentiel des marchés de masse tels la ville intelligente, la localisation des biens, l'industrie 4.0.

Des réseaux de capteurs simples peuvent néanmoins être constitués à partir de capteurs mesurant des grandeurs physiques avec précision et de passerelles configurables par des ingénieurs ou techniciens suffisamment férus d'informatique. Mais l'étendue de ces mesures, en terme de paramètres, reste limitée, à la fois dans les domaines de l'air, l'eau et les sols.

La deuxième conclusion, qui découle de la première, est la nécessité de faire appel à des sous-traitants internes ou externes pour obtenir un système correspondant à un cahier des charges d'une surveillance environnementale conséquente dans des zones industrielles ou urbaines.

Le choix judicieux du ou des sous-traitants et la négociation du cahier des charges nécessitent un minimum de connaissances auxquels la lecture du présent rapport devrait permettre d'accéder.

## L'offre de réseaux de transmission de données commence à se stabiliser suivant 4 directions :

1. les réseaux GSM (2G, 3G, 4G, 5G et LTE et NB IoT) lorsque le débit et la fréquence des envois le nécessitent

* Ces réseaux vont accompagner les développements de l'industrie 4.0, la ville intelligente, la santé intelligente

2. les réseaux LPWAN (Lora ou Sigfox), éventuellement satellitaires en cas de non couverture, lorsque l'autonomie, la longue portée et le bas coût des capteurs sont nécessaires

* Ces réseaux prolifèrent particulièrement dans les applications de localisation des biens, des personnes et des mobiles, qui requièrent une forte autonomie et peu de données transitées. C'est similaire à la problématique du réseau de capteurs environnementaux. Les développements de ces réseaux bénéficieront directement aux réseaux de capteurs.

3. les réseaux locaux WIFI ou Bluetooth, lorsque l'environnement permet des accès internet par box

4. un mix des réseaux précédents lorsque la non-couverture d'une zone et/ou le coût le nécessitent

## L'utilisation des réseaux de capteurs environnementaux est aujourd'hui freinée par :

* l'offre limitée de capteurs fiables, bas coût, ou la difficulté de gérer leur dérive dans le temps (difficiles calibrations à effectuer avant et pendant l'utilisation)

* le nombre de molécules différentes à analyser (pesticides, HAP, etc.)

* la cherté des solutions clé en main

* la non universalité des solutions et la difficile interopérabilité entre modules capteurs de différentes marques

* marché de niche qui n'intéresse pas les grosses entreprises de l'analyse (solutions standards domestiques peu fiables ou solutions chères sur mesure faites par des TPE/PME)
Les réseaux de capteurs vont générer des millions de données : les challenges suivants seront à prendre en compte :

* Quid de l'utilisation des données (valorisation de chaque donnée, pour qui, pour quoi ?

* Implication de Google, Amazon, Microsoft dans les capteurs et les données, risques ou opportunités ?

les réseaux, produits et systèmes de traitement de données de ces big 3 peuvent permettre de faire baisser les couts des solutions et multiplier leur usage avec le risque que les données domestiques partagées soient de faible qualité et d'un intérêt limité et ne pourront donc pas bénéficier au niveau professionnel (ce qui est en général l'inverse). Le risque d'appropriation des données traitées par leurs plateformes n'est pas négligeable. Il n'est donc pas raisonnable de fonder une stratégie produit industrielles sur leurs plateformes sans avoir de fortes garanties.

* Retour sur investissement (industriels mais aussi public) : l'acquisition et le traitement des données environnementales ne semble pas générer de retour sur investissement sauf dans l'optique de support d'une communication à destination de clients très concernés par l'environnement. (l'état par exemple)

Le traitement des données pour une meilleure connaissance du rapport entre santé et pollution peut éventuellement faire évoluer la facture de l'impact de la pollution sur la santé, estimé (rapport sénatorial de 2015) à 100 milliards d'euros.

* La fouille des données (data mining) est une spécialité émergente qui peut profiter à l'analyse des nombreuses données qui seront issues des réseaux de capteurs. On appelait cette spécialité, il y a peu, l'analyse statistique. L'intelligence artificielle, c'est à dire l'utilisation d'algorithmes sophistiqués, fait partie des outils qui commencent à être utilisés.

En attendant l'avènement de cette spécialité (5 à 10 ans) et des logiciels dédiés, les algorithmes mis à disposition par les plateformes des big 3 ou des sous-traitants suffiront à répondre aux enjeux des traitements de données environnementales pour un cout maitrisé.

# 9 Perspectives

## Capteurs :

Les capteurs sont le point faible des réseaux de capteurs.

Les mesures physiques (température, niveau d'eau, débits, humidité etc.) sont matures mais ne fournissent que très peu de résultats sur le niveau et la nature des pollutions.

**La mesure du taux de particules de l'air** et son équivalent pour l'eau, la mesure de la turbidité, sont des mesures simples en apparence, peu chères mais livrent peu d'informations, si ce n'est un niveau global de pollution. Le couplage du comptage de particules avec une analyse de la nature et la composition des particules serait bénéfique à la détermination du lien entre santé et pollution. Des recherches actives au niveau universitaire et industriel devraient être encouragées dans cette optique.

**Les capteurs basés sur l'électrochimie** (aussi bien micro que macro capteurs) ne parviennent et ne parviendront pas à gagner en fiabilité sur la durée ni en autonomie, les réactions chimiques étant souvent irréversibles. Ils nécessitent une maintenance non compatible avec une mise en réseau.

Une intense veille technologique sur les nouvelles méthodes de détection des espèces chimiques par voies spectroscopiques (dans toutes les gammes de longueur d'onde, UV, visible, IR, térahertz) ou opto-acoustique (SPR, SAW) doit être entreprise ou maintenue.

Des solutions d'électrophorèses capillaires ou de micro chromatographie gazeuse, existantes, mériteraient des développements industriels conséquents pour les rendre accessibles en production de masse. Mais les marchés de l'analyse, que la réglementation ne tire pas, ne sont certainement pas encore assez attractifs pour intéresser des investisseurs.

**Les capteurs MOS à couche fonctionnalisée ou MOx à profil de température** similaire à une stratégie de voltampérométrie seront difficiles à mettre au point de manière totalement fiable.
Les **nanocapteurs** en sont à leur début et pourraient permettre de combler un vide, à terme, puisqu'on travaille à la même échelle que les substances à analyser. Tout en sachant que les dispositifs, invisibles à l'œil et au microscope optique, sont d'autant plus compliqués à appréhender.

Les analyses par **spectrométrie d'absorption** à différentes longueurs d'onde restent les solutions prometteuses à plus brève échéance pour peu que des lasers aux longueurs d'ondes dans l'infrarouge moyen deviennent disponibles à bas coût comme c'est le cas pour le CO2, ou dans l'UVC pour d'autres molécules (ex : nitrates, phosphore, fer)
## Réseaux de télécommunications :

Le réseau LORA pourrait encore d'évoluer vers des solutions clés en main plus universelles, à la fois au niveau matériel et logiciel incluant non plus uniquement la gestion des équipements mais aussi le traitement des données On ne peut qu'espérer des opérateurs ce surcroit d'intelligence dans les réseaux. Ou les inciter à œuvrer dans ce sens.

* La couverture par des passerelles universitaires et privées, réseaux collaboratifs, devrait se développer pour assurer une connectivité gratuite sur les territoires, à réserver à des applications non sensibles.

Le réseau SIGFOX est à surveiller puisqu'il faut s'attendre à des restructurations à la fois dans la société SIGFOX et dans le réseau physique et logiciel : Le réseau physique (les relais antennes) pourrait être vendu de manière découpée et le réseau logiciel (le cloud) repris par un tiers en cas de défaillance de la société SIGFOX. Les investisseurs, souvent clients de SIGFOX ont intérêt à faire en sorte que la solution SIGFOX perdure, c'est peut-être là un gage sérieux de pérennité.

Le réseau NB-IoT souffre encore en France d'être dépendant d'un seul opérateur, SFR et de sa faible couverture en surface (environ 50%). Il a cependant des possibilités de progression grâce à son débit plus élevé que LORA et son niveau de sécurité accru.

Les réseaux GSM M2M verront l'avènement de la 5G d'ici 5 ans, qui bénéficiera principalement à l'industrie 4.0 et au transfert de fichiers volumineux. Les réseaux de capteurs n'étant pas la cible de la 5G, il faudra s'assurer, si on choisit une solution GSM M2M que l'on pourra s'adapter au passage de la 4G vers 5G sans avoir à changer son matériel, par exemple sous forme d'une simple modification de logiciel.

Les réseaux satellitaires, en cours de déploiement, vont certainement compléter avantageusement l'offre en réseaux d'ici 3 à 5 ans, le temps que toutes les constellations deviennent opérationnelles. Certaines, spécifiques IoT, sont à surveiller de près. Espérons que le marché sera au rendez-vous et que la concurrence accrue ne soit pas une source d'inquiétude supplémentaire accompagnant les choix dans tout nouveau projet. Il faudra rester prudent vis-à-vis des promesses.

## Traitement des données :

Dans la profusion des logiciels de programmation des capteurs, passerelles, routeur, site internet, il est difficile d'anticiper l'apparition de solutions clé en main, simples d'utilisation sans connaissance informatiques poussées. La dépendance vis-à-vis des experts risque de durer.

Des sites de sous-traitance informatique proposant des experts freelances de toutes nationalités sont nombreux et les résultats à en attendre difficilement appréhendables et donc hasardeux. D'autant plus qu'il y a très peu d'experts universels pouvant prendre en compte l'ensemble de la chaine constitutive d'un réseau de capteurs. Un expert Android n'aura pas forcement les compétences loS.

Le développement d'une plateforme universelle, simple d'utilisation, configurable par n'importe qui, avec une possibilité de traitement des données de type tableur serait idéal. Mais cette plateforme doit être développée de manière open source (logiciel libre) pour être enrichie par les amateurs éclairés du monde entier. De manière identique à l'écosystème autour de linux et la raspberry ou arduino. Des tentatives universitaires ont été essayées sans grand succès.

Un mécénat de grosses sociétés ou une mutualisation de moyen de développement par les dites grosses sociétés pour aboutir à une telle solution serait d'une intelligence collective telle qu'on peut en rencontrer dans l'aéronautique et le spatial.
# 10 Les sources d'informations concernant les réseaux

Ci-après une liste de sources bibliographiques, les plus pertinentes, trouvées sur internet ou envoyées par les sociétés

Une simple recherche dans votre moteur de recherche favori vous permettra de les consulter aisément.
<table><thead><tr><th>sources</th><th>Titre du document</th><th>date du document</th></tr></thead><tbody><tr><td>yole developpement</td><td>Internet of Things: A Promising Future for Sensors</td><td>February 17, 2017</td></tr><tr><td>JDN (journal du numerique)</td><td>Smart city : quel réseau IoT choisir pour quel service</td><td>28/01/2020</td></tr><tr><td></td><td>Plateforme IoT_ définition, comparatif, device management</td><td></td></tr><tr><td></td><td>L'IoT, nouvelle frontière du machine learning</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Wize, le standard IoT qui transperce les murs et sous-sols</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Gateway_ définition et rôle dans l'IoT</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Wize_ le protocole né dans l'énergie</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Le rennais Nemeus porte le protocole IP over LoRaWAN d'Acklio sur ses modules radio bimodes LoRa_Sigfox – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Effervescence autour de la bande des 450 MHz pour les applications de communication M2M et de l'Internet des objets – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>_10 conseils pour gérer l'explosion à venir de l'Internet des objets_ – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Nouveau record pour une transmission de données sans fil LoRaWAN _ 832 km ! – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>White paper _ découvrez les standards 5G New Radio de A jusqu'à Z – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>L'Industrial Internet Consortium compile les meilleures pratiques pour développer et déployer des solutions IIoT – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>L'australien Myriota lève près de 20 M$ pour déployer son Internet des objets par nanosatellites – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Sécurité de l'IoT _ Thales, Telstra, Microsoft et Arduino s'alignent ensemble sur la spécification IoT-SAFE – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>OneWeb lève 1,25 milliard de dollars supplémentaires pour lancer sa constellation de 650 satellites d'ici à 2021 – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Nanosatellites et Internet des objets _ un duo (peut-être) promis au septième ciel – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Le marché des satellites au poids inférieur à 500 kg va quadrupler sur la prochaine décennie – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Farnell lance la seconde édition de son enquête mondiale sur les développements de l'Internet des objets – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>White paper _ IoT industriel _ libérer les services à forte valeur ajoutée grâce à la connexion des actifs – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>L'industrie automobile sera en 2023 le plus gros marché de la 5G appliquée à l'Internet des objets – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Fin 2023 143,5 millions de maisons en Europe et en Amérique du Nord seront _intelligentes_ – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Les technologies LPWAN NB-IoT et LTE-M s'arrogeront 52% des connexions cellulaires IoT en 2025 – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Ce qui n'arrivera pas en 2020 _ la consolidation du marché des plates-formes IoT – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>30 millions de luminaires urbains intelligents seront déployés dans le monde en 2023 – L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td></td><td>Bluetooth pour les objets connectés _ un marché qui va presque quadrupler d'ici à 2024 – L'Embarqué</td><td></td></tr></tbody></table>
<table><tr><td></td><td>Il se vendra 8 millions de passerelles IoT cellulaires en 2023, estime Berg Insight - L'Embarqué<br/>Selon Cisco, 45% des équipements connectés le seront à un réseau mobile 2G, 3G, 4G, 5G ou LPWAN en 2023 -<br/>L'Embarqué</td><td></td></tr><tr><td>laas</td><td>Wireless communication platform for active sensors networks</td><td></td></tr><tr><td>cap'tronic</td><td>prendre le virage des objets connectés</td><td>2015</td></tr><tr><td>note élargie (Assemblée nationale)</td><td>LES OBJETS CONNECTÉS</td><td>22/03/2018</td></tr><tr><td rowspan="3">RTONE IOT MAKERS</td><td>Quel réseau choisir pour mon objet connecté ? -</td><td>20/02/2020</td></tr><tr><td>Cloud Computing VS Edge Computing : quelle architecture réseau choisir pour mon objet connecté ?</td><td>05/03/2020</td></tr><tr><td>IoT : les avantages d'une Gateway sur-mesure</td><td>02/04/2020</td></tr><tr><td>IOT world today</td><td>5G in IoT Starts to Crystallize in Industrial IoT market</td><td>19/02/2020</td></tr><tr><td>documentation texas instruments</td><td>MIOTY, the new LPWAN standard, provides quality and scalability for worldwide Sub-1 GHz communication</td><td>2020</td></tr><tr><td>ETSI</td><td>ETSI LAUNCHES NEW GROUP ON NON-IP NETWORKING ADDRESSING 5G NEW SERVICES</td><td>07/04/2020</td></tr><tr><td rowspan="4">électroniques.biz</td><td>OMNISPACE CHOISIT THALES ALENIA SPACE POUR</td><td>14/04/2020</td></tr><tr><td>DÉVELOPPER L'INFRASTRUCTURE SATELLITAIRE D'UN RÉSEAU HYBRIDE MONDIAL</td><td></td></tr><tr><td>TELENOR, SONY ET ERICSSON VONT DÉVELOPPER DES</td><td>14/04/2020</td></tr><tr><td>APPAREILS DE SANTÉ INTELLIGENTS IOT</td><td></td></tr><tr><td>usine-digitale.fr</td><td>La start-up IoTrop a conçu une surcouche logicielle pour sécuriser les objets connectés</td><td>mars-20</td></tr><tr><td>Institut Montaigne</td><td>L'Europe et la 5G : passons la cinquième !</td><td></td></tr><tr><td>lemagit.fr</td><td>IoT : les services cloud dédiés d'AWS, Microsoft et Google</td><td>fevrier 2020</td></tr><tr><td>laboratoires LS2N et IETR</td><td>Synthèse sur les protocoles de communication pour l'Internet des objets de l'industrie 4.0</td><td>janv-19</td></tr><tr><td>Ecole des Ponts Paristech</td><td>L'Appropriation de l'internet des objets par les collectivités territoriales</td><td>janv-19</td></tr><tr><td>OECD DIGITAL ECONOMY papers</td><td>IOT MEASUREMENT AND APPLICATIONS</td><td>oct-18</td></tr><tr><td>techtarget</td><td>2020 IT Priorities</td><td>fevrier 2020</td></tr><tr><td>IOTEROP webinar slides</td><td>Welcome to NB IoT: Ready for Mass Market</td><td>2020</td></tr><tr><td>these Université Clermont Auvergne</td><td>Study and improvement of long range communication technologies for wireless sensor networks</td><td>12/09/2020</td></tr><tr><td>these université de Lorraine</td><td>Conception d'un système de communication sans fil industriel basé sur la transformée en ondelettes</td><td>23/10/2019</td></tr><tr><td>these INSA LYON CITILAB</td><td>Deployment and Scheduling of Wireless Sensor Networks for Air Pollution monitoring</td><td>12/03/2019</td></tr><tr><td>université de Brescia Italie / rio grande Bresil</td><td>On the Use of LoRaWAN for the Monitoring and Control of Distributed Energy Resources in a campus</td><td>01/01/2020</td></tr><tr><td>Carnegie Mellon University</td><td>Empowering Low-Power Wide Area Networks in Urban Seings</td><td>2017</td></tr></table>
<table><tr><td>ghent university (IJCE, Vol. 4, No. 1 (2018)</td><td>Application of LoRaWAN for Smart Metering: An Experimental Verification</td><td>2018</td></tr><tr><td>documentation de ORANGE BUSINESS SERVICES</td><td>PresentationClient_1ot_Connect_Low_Power_juillet_2020<br>L'essentiel_Live_Objects_avril_2019<br>PC_gamme_M2M-loT_juillet_2018_V3</td><td>2020</td></tr><tr><td>documentation SIGFOX</td><td>Presentation_technique_de_Sigfox_Juillet_2017</td><td>2020</td></tr><tr><td>documentation microchip (exemple)</td><td>SAM R34/R35 Low Power LoRa® Sub-GHz SiP Datasheet</td><td></td></tr><tr><td>documentation de texas instruments (exemples)</td><td>CC1310 SimpleLink™ Ultra-Low-Power Sub-1 GHz Wireless MCU<br>Sub 1-GHz Sensor to Cloud Industrial IOT Gateway Reference Design<br>Application Note (AWS service)</td><td>2019</td></tr><tr><td>documentation cisco (exemples)</td><td>Copenhagen Drives City Carbon Footprint Reductions and Enriches Citizen Experiences through Converged Digital Solutions<br>Announcing Cisco Kinetic for Cities: New name, alignment and evolution for Smart+Connected Digital Platform</td><td>avr-19<br>19/02/2020</td></tr><tr><td>rapport d'étude des membres du CVT AllEnvi et BRGM IRSTEA</td><td>réseaux de capteurs sans fil : surveillance agricole et surveillance environnementale</td><td>2017</td></tr><tr><td>IOT factory</td><td>Comprendre la technologie LoRa et déployer son propre réseau de données LoRaWAN pour l'Internet des Objets</td><td>août-19</td></tr><tr><td>IDC (sponsorisé IBM)<br>cabinet WAVESTONE, Etude-Agrion-IOT</td><td>La création d'applications cloud natives dans un univers de multicloud hybride</td><td>avr-20</td></tr><tr><td></td><td>L'IoT INDUSTRIEL DU PoC À L'INDUSTRIALISATION</td><td>2017</td></tr></table>
<table><tr><td>WIZE alliance</td><td>WIZE_Alliance_Presentation_EN june 2019_DIFF</td><td>juin-19</td></tr><tr><td>articles extraits de sciencedirect.com</td><td>Wireless Sensor Network System Design Using Raspberry Pi and Arduino for Environmental Monitoring Applications<br>Antenna design for a massive multiple input environmental sensor network<br>Wireless self-powered sensor networks driven by triboelectric nanogenerator for in-situ real time survey of environmental monitoring<br>Cloud based sensor network for environmental monitoring<br>Real-Time Microservices Based Environmental Sensors System for Hazmat Transportation Networks Monitoring<br>Design aspects of acoustic sensor networks for environmental noise monitoring<br>Low-dimensional carbon based sensors and sensing network for wearable health and environmental monitoring<br>Open source REST services for environmental sensor networking<br>Correlation analysis and statistical characterization of heterogeneous sensor data in environmental sensor networks<br>Application of wireless sensor network for environmental monitoring in underground coal mines_ A systematic review<br>Wireless Sensor Network for Environmental Monitoring with 3G Connectivity<br>Innovations in Monitoring With Water-Quality Sensors With Case Studies on Floods, Hurricanes, and Harmful Algal Blooms</td><td></td></tr><tr><td>documentation SFR</td><td>iot_connect_nb-iot_-_conditions_tarifaires_grille_iot_standard_-_fra_202...<br>Présentation IoTConnect</td><td>2020<br>2020</td></tr><tr><td>documents Sierra Wireless</td><td>IIoT Panel: Enabling Interoperability Between the Edge and the Cloud<br>Bridging the IT-OT gap in your Industrial IoT project<br>Airlink datasheet MP70</td><td>2020<br>2020<br>2020</td></tr><tr><td>document VODAPHONE</td><td>WEBINAIRE NB-IoT vs LTE-M Profils comparatifs et usages</td><td>2020</td></tr><tr><td>IRJCS/RS/Vol.04/Issue10/OCCS10084</td><td>Lorawan INDOOR PERFORMANCE ANALYSIS</td><td>2017</td></tr></table>
# 11 ANNEXES

## 11.1 Les Réseaux de transmission de données

La définition générale d'un réseau est un ensemble d'entités reliées entre elles.
On utilise le mot réseau pour designer différents niveaux ou objets :

* Les systèmes physiques (ex : réseaux de relais de France Télécom)

* Les systèmes complets (ex : réseau internet, réseau Sigfox)

* Les systèmes de transmission (ex : wifi, bluetooth)

Nous appellerons « réseaux de capteurs » un réseau dont une extrémité est un ensemble de capteurs et l'autre extrémité le système de présentation des données (ordinateur, smartphone, tablette) issues des capteurs à un utilisateur,

### 11.1.1 La topologie des réseaux

L'architecture des réseaux peut prendre diverses formes :
anneau (ring) : filaire, obsolete ("vieux" token ring d'IBM)

<figure><img src="image_22.png" /></figure>

Bus filaire: les capteurs sont tous reliés à un même câble

<figure><img src="image_23.png" /></figure>
**Étoile (star)** : les capteurs communiquent avec une passerelle, c'est la configuration la plus répandue dans les réseaux sans fil de capteurs

<figure><img src="image_24.png" /></figure>

**Maillé (mesh)** : les capteurs sont tous reliés entre eux, les signaux prennent le chemin le plus efficace jusqu'à la passerelle (exemple le plus connu : le réseau sans fil zigbee)

<figure><img src="image_25.png" /></figure>

Les réseaux sans fils sont essentiellement des réseaux étoiles (un concentrateur/passerelle) ou étoile étendu (chaque nœud d'un réseau l'étoile peut être nœud d'un autre réseau étoile).
Les réseaux filaires sont généralement constitués de bus bi ou trifilaires.

### 11.1.2 Schéma de principe générique d'un réseau sans fil de capteurs

Le schéma de principe qui suit permet de comprendre la complexité des options lorsque l'on veut concevoir un réseau de capteurs sans fil.

Plusieurs solutions permettent d'arriver à un même résultat mais le coût, la rapidité de mise en place et la pérennité peuvent être très différents selon les options choisies.
<figure><img src="image_26.png" /><figcaption>Figure 15 schéma générique d'un réseau de capteurs</figcaption></figure>
### 11.1.3 Les différents réseaux sans fil disponibles

Les réseaux sans fils se définissent par des protocoles (logiciels) de communication entre les équipements (les capteurs par exemple) et les récepteurs qui sont connectés à un autre réseau de traitement de données (soit local soit externe comme internet)

Les protocoles sont insérés d'une part dans les microcontrôleurs des modules capteurs comprenant l'émetteur/récepteur des données et dans tous les autres éléments constituant le réseau.

#### 11.1.3.1 Les réseaux GSM (téléphonie mobile)

Les téléphones mobiles cellulaires sont basés sur le réseau GSM (« groupe spécial mobile » devenu « global system for mobile communication »)

**L'accès aux réseaux GSM se fait grâce à des cartes SIM qui constituent une identification forte et sécurisée. Un abonnement ou un forfait est lié à chaque carte SIM.**

La France compte plus de 70 millions d'abonnements au réseau GSM

Ce réseau est initialement dédié à la transmission de la parole. Il utilise 6 gammes de fréquences : 700, 800, 900 (3G), 1800, 2100, 2600 MHz. 4 opérateurs se partagent les bandes de fréquence Il est constitué d'un maillage du territoire par des relais (appelés aussi stations de base) GSM

Exemple : avec 19 683 relais, Orange couvre la France avec l'équivalent d'un relais par carré de 5km de coté

<table><caption>Tableau 11 le nombre d'antennes GSM en France par opérateurs</caption><thead><tr><th>Relais 4G au 1er aout 2019</th><th>700 MHz</th><th>800 MHz</th><th>2100 MHz</th><th>2600 MHz</th><th>1800 MHz</th><th>TOTAL 4G</th></tr></thead><tbody><tr><td>ORANGE</td><td>2347</td><td>21152</td><td>11301</td><td>10418</td><td>16714</td><td>23223</td></tr><tr><td>SFR</td><td>595</td><td>19571</td><td>6797</td><td>7615</td><td>12746</td><td>20182</td></tr><tr><td>BOUYGUES TÉLECOM</td><td>1884</td><td>18587</td><td>3638</td><td>6310</td><td>12267</td><td>19308</td></tr><tr><td>Free Mobile</td><td>16506</td><td>0</td><td>0</td><td>14998</td><td>15471</td><td>17348</td></tr><tr><td>total</td><td></td><td></td><td></td><td></td><td></td><td>80061</td></tr></tbody></table>

Source ANFR 2019

Les réseaux GSM sont entièrement gérés par ces opérateurs ce qui leur confère la pérennité et la fiabilité associées, relativement bien connues du public.

La sécurité des transmissions est assurée par la sécurisation des cartes SIM.

Cette sécurisation n'est malgré tout pas sans faille.

Une bande de fréquence est utilisé pour les données « montantes » allant du téléphone vers le relais (upload) et une autre pour les données « descendantes » allant du relais vers le téléphone (download).

Certains téléphones peuvent fonctionner dans plusieurs bandes (900 et 1800 MHz), mais tous ne fonctionnent pas sur la bande 700 MHz par exemple.

Un réseau privé GSM-R est réservé pour les applications ferroviaires (SNCF et eurotunnel).

L'organisation 3GPP (3rd Generation Partnership Project) a fait évoluer la norme GSM de départ pour prendre en charge de plus hauts débits et **le transport de données en mode « paquet »** par les extensions GPRS (General Packet Radio Services) puis EDGE (Enhanced Data rates for GSM Evolution). Ces deux modes peuvent cohabiter avec le mode « voix commutée » du GSM et utilisent les mêmes antennes et les mêmes bandes de fréquence.

Puis les réseaux GSM sont passés à une connexion internet utilisable via 2 applications finales utilisateur ANDROID ou iOS (iphone operating system de APPLE) (l'équivalent téléphone mobile de Microsoft Windows ou de MacOS d'Apple pour les ordinateurs)

Des codages radio particuliers sont utilisés pour permettre l'accès à de multiples équipements (stations mobiles de types téléphones portables, capteurs) par relais (**stations de base**). On parle de OFDM, OFDMA, SC-FDMA.
## Les réseaux mobiles GPRS (General Packet Radio Service) :

Prolongement de la norme GSM, le réseau GPRS permet un débit de données allant de 40 Kbit/s à un maximum théorique de 171 Kbit/s. Elle transmet les données par paquet en empruntant simultanément plusieurs canaux GSM. Le réseau GPRS correspond à la génération dite 2,5G ou 2G+.

Ce réseau ne doit pas être utilisé pour de nouveaux développements.

## Les réseaux mobiles EDGE (Enhanced Data Rates for GSM)

Cette norme encode les données de manière plus efficace que le GPRS et permet d'atteindre un débit maximal de 384 Kbit/s pour une moyenne de 100 Kbit/s. EDGE correspond à la génération dite 2,75G.

Ce réseau ne doit pas être utilisé pour de nouveaux développements.

## La technologie mobile 3G, 3G+, H+ et Dual Carrier

**3G** : Apparue au début des années 2000, la téléphonie mobile de troisième génération (ou 3G) a été mise en place suivant la norme UMTS (Universal Mobile Télécommunications System), ce qui a nécessité le déploiement d'un nouveau réseau physique. Les données transmises en 3G ont un débit plafond de 2 Mbit/s, mais en pratique il s'élève plutôt à 384 Kbit/s.

La 3G+ (ou H pour HSPA High speed Packet access) est une version améliorée de la 3G : elle permet de surfer sur Internet à un débit maximum de 14,4 Mbit/s (3,6 Mbit/s en pratique).

Grâce à la H+ (ou HSPA+), la connexion à Internet est encore plus rapide : jusqu'à 21 Mbit/s (5 Mbit/s en pratique).

Et en doublant la connexion, on obtient un débit maximum de 42 Mbit/s, c'est le principe du DC-HSPA+ ou Dual Carrier.

Peut servir à transmettre des données (via des structures de type site internet) mais le coût de l'abonnement est peu intéressant par rapport aux réseaux dédiés IoT

## Le réseau mobile 4G, la 4G+ et la 4G++

La 4G est le réseau mobile de 4ème génération. Elle permet de bénéficier d'un débit théorique maximum de 150Mbit/s, comparable au débit de l'ADSL. En pratique, le débit est plutôt de 40 Mbit/s.

Le réseau 4G+ (ou 4G LTE Advanced) et la 4G++ (ou 4G+ UHD) sont des évolutions de la 4G, elles permettent respectivement de surfer 2 et 3 fois plus vite qu'en 4G.

Peut servir à transmettre des données (via des structures de type site internet) mais le coût de l'abonnement est peu intéressant par rapport aux réseaux dédiés IoT (quelques dizaines d'euros par mois par carte Sim 4G comparé à moins d'un euro par module capteur/émetteur pour LORA ou SIGFOX). Des offres, proportionnelles à la quantité de données traitées, peuvent être éventuellement compétitives (ex : SFR business).
## La LTE-M (long term evolution for machines) versus NB-IOT (narrow band IOT)

Ces 2 réseaux ont été définit par la 3GPP (3eme Generation Partnership Project, qui est une coopération entre organismes de normalisation en télécommunications tels que : l'UIT, l'ETSI, l'ARIB/TTC, le CCSA, l'ATIS et le TTA, qui produit et publie les spécifications techniques pour les réseaux mobiles de 3e et 4e générations)

<table><caption>Figure 16 comparaison LTE-M vs NB-IOT</caption><thead><tr><th></th><th>NB-IOT</th><th>LTE-M</th></tr></thead><tbody><tr><td>portée</td><td>1.5km en urbain<br>20km en rural<br>Passe 2 murs</td><td>1km en urbain<br>10km en rural<br>Passe 1 mur</td></tr><tr><td>autonomie</td><td>10 ans</td><td>5 ans</td></tr><tr><td>Nombres de capteurs /antenne</td><td>&gt;100 000</td><td>&gt;100 000</td></tr><tr><td>débits</td><td>&lt;200kbit/s</td><td>&lt;1 Mbit/s</td></tr><tr><td>Bidirectionnel</td><td>oui</td><td>oui</td></tr><tr><td>Carte SIM</td><td>Oui</td><td>oui</td></tr><tr><td>latence</td><td>seconde</td><td>millisecondes</td></tr></tbody></table>

Le LTE-M (Long-Term Evolution for Machines) a été conçu pour l'IoT (Internet of Things).

Ce réseau utilise les réseaux 4G existants et fonctionne sur les fréquences basses (en France entre 700 et 800 MHz) et grâce au protocole CAT-M1 qui permet d'améliorer l'accessibilité de tous les objets connectés.

Le LTE-M optimise également la consommation énergétique de ses objets grâce à la mise en veille (Power Saving Mode). C'est aussi une solution sécurisée puisqu'elle utilise l'authentification des cartes SIM. Chaque opérateur utilise une bande de fréquence dédiée.

Les réseaux mobiles LTE sont commercialisés sous l'appellation « 4G » par les opérateurs de nombreux pays,

Il est prévu que LTE-M soit compatible avec la 5G mais il faudra veiller à ce que les dispositifs connectés soient munis de transmetteurs aptes à fonctionner aux fréquences de la 5G 3.6GHz et supérieur.

Le LTE utilise des bandes de fréquences d'une largeur pouvant varier de 1,4 MHz à 20 MHz dans une plage de fréquences allant de 450 MHz à 3,8 GHz selon les pays. Il permet d'atteindre (pour une largeur de bande de 20 MHz) un débit binaire théorique de 300 Mbit/s en « liaison descendante » (downlink, vers le mobile). La « vraie » 4G, appelée LTE Advanced offrira un débit descendant pouvant atteindre ou dépasser 1 Gbit/s ; ce débit nécessitera l'utilisation de bandes de fréquences agrégées de 2x100 MHz de largeur qui sont définies dans les versions 10 à 15 (3GPP releases 10, 11, 12, 13, 14 et 15) des normes LTE Advanced.

### Les opérateurs proposant un accès réseau LTE-M :

Les offres des opérateurs se ressemblent :

A la fois intégrateurs de solutions complètes, opérateurs télécom et fournisseurs de cloud, traitement de données et gestion de la flotte de devices (capteurs, modules, passerelles)

Ils se proposent de vous aider pour la mise en place et la maintenance du réseau.

Certains éléments de l'ensemble sont néanmoins sous traités à des partenaires.

### ORANGE business services :

Propose l'accès à 2G/3G/4G LTE-M (ainsi qu'à LORA voir plus loin au chapitre LORA)

Orange agit à la fois en tant qu'intégrateur, opérateur et fournisseur de terminaux mobiles.
* Cout de l'accès au réseau LTE-M (offre M2M/IoT IoT Connect) : 10.5 € à 13.5€ par mois suivant la quantité de données

* Offre logiciel : Live Objects, plateforme multi protocoles sécurisée pour gérer les objets et données : 3 offres (de 5€ à 25€/mois), Compatible avec LORA, IP, 2, 3 et 4G LTE-M NB IoT

Orange ne propose pas d'accès réseau NB-IoT, qui ferait concurrence avec LORA.

**La couverture du territoire français** : site (30 000 communes et 95% de la population)

La slide suivante d'Orange business services exprime toute la complexité d'un réseau M2M/IoT qui fait appel à de multiples compétences et promeut l'intérêt de passer par un acteur qui maitrise le plus d'éléments de la chaine de valeur.
<figure><img src="image_27.png" /><figcaption>Figure 17 documentation Orange business services</figcaption></figure>
# OBJENIOUS (BOUYGUES TÉLECOM)

<figure><img src="image_28.png" /><figcaption>Figure 18 réseau, document Objenious</figcaption></figure>

## SFR :

SFR propose une connexion 2G/3G/4G sans l'appellation LTE-M avec des couts mensuels dépendant du trafic de données

<table><thead><tr><th></th><th>500 Koctets</th><th>50 Moctets</th><th>10 Goctets</th></tr></thead><tbody><tr><th>Cout mensuel</th><td>2.6 €</td><td>4 €</td><td>28 €</td></tr></tbody></table>

Délai de mise en place du réseau (hors développement/interfaçage des capteurs) : environ 3 mois

## Le NB-IOT :

C'est un réseau basé sur les relais 4G, prêt pour la 5G

Très répandu dans l'est de l'Europe.

C'est une bonne alternative aux réseaux SIGFOX et LORA, plus sécurisé, qui permet une bonne autonomie. Le temps de latence de quelques secondes n'est pas gênant pour des réseaux de remontée de données capteurs.

Seul SFR business propose ce réseau en France, les 2 autres opérateurs ayant misé sur LORA ou le LTE-M (plus industriel du fait de sa faible latence).

<table><thead><tr><th></th><th>500 Koctets</th><th>50 Moctets</th><th>10 Goctets</th></tr></thead><tbody><tr><th>Cout mensuel</th><td>0.85 €</td><td>1.5 €</td><td></td></tr></tbody></table>

Il faut rajouter le cout des cartes SIM (4 à 6 euros suivant quantité)

Délai de mise en place du réseau (hors développement/interfaçage des capteurs) : environ 3 mois

Couverture : 20 000 antennes 4G couvrent la France en septembre 2020 (en comparaison Orange 23000 et Bouygues 19300)

## Les fabricants de Modem (modules) NB-IOT/LTE :

<table><tr><td>Nordic</td><td>U-blox</td><td>DIGI</td><td>Nimbelink</td></tr></table>
**Prix :**

* les modules transmetteurs LTE-M / NB-IOT coutent entre 15 et 20€

* les modems (microcontrolleur + modules RF) coutent environ 60€

Par comparaison, un module (équivalent au modem LTE-M) LORA ou SIGFOX coute 5€ (minimum)

La qualité de service est supposée meilleure que le réseau LPWAN basés sur la bande de fréquences ISM libres (LORA SIGFOX etc.) puisque les bandes de fréquence sont privées et donc moins sujettes à interférences avec d'autres utilisateurs.

**Le réseau 5G :**

Alors que tout le monde n'est pas encore passé à la 4G, les constructeurs de Smartphones et les opérateurs mobiles travaillent déjà à la prochaine génération : le réseau 5G.

* Le débit théorique de la 5G pourrait atteindre les 50 Gbits/s (transfert de plus de 10 films en 1 seconde)

* Permettrait la connexion de 1 millions d'équipements par km² (grâce, entre autres, à des antennes intelligentes directionnelles MIMO)

L'attribution des fréquences (en France 3.4 à 3.8GHz) est prévue Les 4 opérateurs français (Orange Bouygues Télécom, Free SFR) ont déposé une demande en février 2020 (chacun obtiendra une bande de 50 MHz) une mise aux enchères de 11 blocks supplémentaires de 10MHz va bientôt être organisée.

En 2026 il est prévu d'utiliser aussi la bande 24.25 à 27.5 GHz dont la hauteur fréquence permettra un débit beaucoup plus important

Les bandes 700 MHz et 1.5MHz sont aussi mentionnées mais leur attribution n'est pas actée.

Le calendrier de déploiement de la 5G en France :

* 2019 expérimentations (464 antennes déjà en service) des services dont l'IoT

* 2020 : 5 à 10 grandes villes desservies

* 2/3 de la population couverte en 2025

* 100% en 2030

Il n'est donc peut-être pas judicieux de baser des réseaux de capteurs dans un avenir proche (moins de 5 ans) sur la 5G, sauf à visée expérimentale, le très haut débit n'étant pas nécessaire pour les capteurs environnementaux.

### 11.1.3.2 Les réseaux longue portée LPWAN (low power wide area network)

Ces réseaux assurent les transmissions de données et de consignes dans :

* La ville intelligente (éclairage, pollution, gestion places de parking, surveillance etc.

* La maison intelligente (chauffage, énergie alarmes, etc.)

* L'industrie (surveillance des équipements, maintenance préventive, etc.

* L'agriculture connectée (suivi du bétail, paramètres environnementaux

* Surveillance environnementale (urbaine, industrielle, nature et rurale)

* La santé (suivi des malades, des équipements)

Les capteurs utilisant les réseaux LPWAN bénéficient de portées de plusieurs kilomètres voire dizaines de kilomètres. Les passerelles/concentrateurs auxquels ils se connectent sont en général reliés au réseau mondial internet. Elles peuvent aussi être connectées à un réseau informatique local sans connexion externe sur le WEB (réseau intranet) ce qui permet une sécurité accrue.

**Nota bene :** Les réseaux LTE-M et NB-IoT sont aussi des réseaux LPWAN mais dépendant des réseaux GSM, ils ont été décrits dans ce chapitre précédent

Le marché des réseaux LPWAN se résume aujourd'hui principalement aux réseaux généralistes suivants :

* LORA

* SIGFOX

* LTE-M

* NB-IOT