Mâts urbains 7-en-1 : architecture et protocoles

Summary

Déployer des mâts urbains 7‑en‑1 permet de mutualiser éclairage LED, 5G, Wi‑Fi, capteurs, vidéo, IRVE et signalisation sur une seule infrastructure. Jusqu’à 30–40 % d’économie CAPEX et 20–25 % OPEX, avec des architectures IP, MQTT, NB‑IoT et conformité IEC/IEEE.

Key Takeaways

• Standardiser l’architecture IP des mâts 7‑en‑1 autour d’un backbone Ethernet 1/10 Gb et d’un bus interne (RS‑485/CAN) pour supporter jusqu’à 7 sous‑systèmes simultanés.
• Sélectionner des protocoles ouverts (MQTT, CoAP, LwM2M) sur IPv4/IPv6 pour gérer >10 000 points lumineux et capteurs par plateforme de supervision.
• Dimensionner l’alimentation en prévoyant 5 à 8 kW par mât pour couvrir LED, bornes 22 kW partagées, small cells 5G et équipements IoT critiques.
• Implémenter une cybersécurité de niveau industriel (TLS 1.2/1.3, AES‑256, segmentation VLAN) pour protéger jusqu’à 3 couches : terrain, edge et cloud.
• Garantir l’interopérabilité via les normes IEC 62386 (DALI), IEEE 802.3af/at/bt (PoE) et OCPP 1.6/2.0.1 pour les bornes de recharge intégrées.
• Planifier le déploiement par phases (pilote 50–100 mâts, puis montée à 1 000+ unités) en s’appuyant sur une plateforme de jumeau numérique.
• Optimiser le ROI en visant 50–70 % de réduction énergétique de l’éclairage et 15–20 % de baisse des coûts de maintenance sur 10–15 ans.
• Intégrer des interfaces ouvertes (API REST/JSON, OPC UA) pour connecter les mâts 7‑en‑1 aux systèmes existants (GMAO, GTB, supervision trafic).

Déployer des mâts urbains 7‑en‑1 : contexte et enjeux

Les mâts urbains 7‑en‑1 regroupent dans un seul support physique plusieurs fonctions critiques de la ville intelligente :

• Éclairage public LED dimmable
• Connectivité (Wi‑Fi public, 4G/5G small cells)
• Vidéosurveillance et analyse vidéo
• Capteurs environnementaux (qualité de l’air, bruit, météo)
• Bornes de recharge pour véhicules électriques (IRVE)
• Signalisation dynamique (panneaux, VMS, information voyageur)
• Services additionnels (boutons d’alerte, audio, IoT urbain)

Pour les décideurs B2B (collectivités, exploitants de réseaux, intégrateurs), l’enjeu est double :

1. Réduire les coûts d’infrastructure en mutualisant génie civil, alimentation électrique et connectivité.
2. Assurer l’interopérabilité et la pérennité sur 10–20 ans, malgré l’évolution rapide des technologies de télécom et d’IoT.

Ce document détaille l’architecture cible, les protocoles de communication à privilégier et les bonnes pratiques d’interopérabilité pour un déploiement industriel de mâts 7‑en‑1.

Architecture technique des mâts urbains 7‑en‑1

Architecture physique et électrique

Un mât 7‑en‑1 typique se compose de plusieurs couches fonctionnelles :

• Tête de mât : luminaire LED, capteurs lumière/présence, antennes Wi‑Fi/5G.
• Fût : baies techniques, switchs PoE, passerelles IoT, contrôleurs DALI/0‑10 V.
• Socle : coffret électrique, protection, disjoncteurs, bornes IRVE AC, parfois batteries.

Points clés de conception :

• Alimentation principale :
  • Raccordement 230/400 V AC, 50 Hz.
  • Réservation de puissance 5–8 kW par mât pour couvrir les pics (IRVE + 5G + vidéo).
• Distribution interne :
  • Rail DIN avec protections différentielles et parafoudres (IEC 61643).
  • Bus basse tension 24/48 V DC pour IoT et capteurs.
• Alimentation PoE :
  • PoE+ (IEEE 802.3at, 30 W) ou PoE++ (802.3bt, jusqu’à 90 W) pour caméras PTZ, radios.

Architecture réseau et logique

L’architecture logique doit permettre de gérer à grande échelle plusieurs milliers de mâts répartis sur différents quartiers.

Couches réseau recommandées

1. Couche terrain (Field Layer)

   • Capteurs/actuateurs : DALI‑2 (IEC 62386), Modbus RTU, RS‑485, CAN.
   • Réseaux sans fil courte portée : Zigbee, Bluetooth LE, Thread.

2. Couche d’agrégation (Edge Layer)

   • Switch Ethernet L2/L3 managé avec VLAN.
   • Gateway IoT (ARM/x86) exécutant MQTT broker local, règles edge, bufferisation.

3. Couche backbone (City Network Layer)

   • Fibre optique 1/10 GbE ou radio point‑à‑point.
   • VPN IPsec ou TLS vers le datacenter ou cloud public.

Segmentation fonctionnelle

Pour des raisons de sécurité et de QoS, il est recommandé de segmenter les flux en au moins 4 VLAN :

• VLAN 10 : Éclairage public (DALI, commandes dimming, supervision)
• VLAN 20 : Vidéosurveillance et audio (flux RTSP, ONVIF)
• VLAN 30 : IoT et capteurs (MQTT, CoAP)
• VLAN 40 : Services critiques (boutons d’alerte, IRVE, signalisation trafic)

Gestion de l’énergie et redondance

La criticité de certains services (sécurité, IRVE, communication d’urgence) impose :

• Onduleurs (UPS) dimensionnés pour 30–60 minutes d’autonomie sur les charges critiques.
• Alimentation redondante pour les switchs et gateways (double entrée 48 V DC).
• Possibilité d’hybrider avec du solaire en toiture ou sur mât (100–300 Wc) pour des sites isolés.

Protocoles de communication pour mâts 7‑en‑1

Protocoles de terrain (éclairage, capteurs)

• DALI‑2 (IEC 62386) :
  • Standard pour le contrôle des drivers LED.
  • Permet de gérer jusqu’à 64 adresses par bus.
  • Supporte le dimming, les scénarios et le retour d’état.
• Modbus RTU/TCP :
  • Utilisé pour certains capteurs industriels (énergie, qualité de l’air).
• Zigbee / Thread :
  • Réseaux maillés pour capteurs environnementaux et boutons connectés.

Protocoles IP et IoT

MQTT

• MQTT 3.1.1 / 5.0 sur TCP/IP, chiffré par TLS 1.2/1.3.
• Idéal pour :
  • Télérelève de milliers de capteurs (pollution, bruit, météo).
  • Commandes d’éclairage et scénarios dynamiques.
• Avantages :
  • Faible overhead, support des réseaux contraints (NB‑IoT, LTE‑M).
  • Qualité de service (QoS 0/1/2) configurable.

CoAP et LwM2M

• CoAP (Constrained Application Protocol) sur UDP, optimisé pour l’IoT.
• LwM2M (Lightweight M2M) pour la gestion de parc (firmware OTA, configuration).
• Pertinent pour les capteurs très basse consommation alimentés sur batterie.

Protocoles pour vidéo et sécurité

• ONVIF pour l’interopérabilité des caméras IP.
• RTSP pour le streaming vidéo.
• Chiffrement via SRTP lorsque requis.

Protocoles pour IRVE et mobilité

Pour les bornes de recharge intégrées au mât :

• OCPP 1.6 / 2.0.1 pour la communication avec le backend IRVE.
• IEC 61851 / IEC 62196 pour les aspects matériels et de sécurité de charge.
• Intégration possible avec les systèmes de paiement et de supervision mobilité.

Connectivité WAN

Selon les cas d’usage :

• Fibre optique : latence faible, débit élevé, idéal pour vidéo 4K et 5G.
• 4G/5G : backhaul pour sites sans fibre, avec APN privé.
• NB‑IoT / LTE‑M : relève IoT à très faible débit, backup de communication.

Interopérabilité : principes et bonnes pratiques

Normalisation et ouverture

Pour éviter le verrouillage propriétaire et faciliter la maintenance sur 15–20 ans :

• Privilégier des protocoles ouverts (MQTT, CoAP, DALI‑2, ONVIF, OCPP).
• Exiger des API REST/JSON documentées pour tous les sous‑systèmes.
• S’appuyer sur des standards de données (par ex. FIWARE NGSI‑LD pour les données urbaines).

Couches d’intégration

1. Passerelles de terrain

   • Convertissent DALI, Modbus, Zigbee en MQTT/CoAP.
   • Implémentent des règles locales (edge computing) : scénarios d’éclairage, alertes.

2. Plateforme de ville intelligente

   • Agrège les données de milliers de mâts.
   • Fournit des API unifiées aux applications métier (éclairage, mobilité, sécurité).

3. Systèmes métiers existants

   • GMAO (Gestion de Maintenance Assistée par Ordinateur).
   • GTB/SCADA.
   • Systèmes de gestion de trafic et de transport public.

Cybersécurité et gestion des identités

Les mâts 7‑en‑1 sont des actifs critiques. Recommandations :

• Authentification mutuelle (certificats X.509) pour les équipements IP.
• Chiffrement bout‑en‑bout (TLS 1.2/1.3, AES‑256).
• Segmentation réseau (VLAN, pare‑feu, listes de contrôle d’accès).
• Mises à jour OTA sécurisées (signatures, validation, rollback).

Gestion du cycle de vie

• Inventaire centralisé des actifs (numéro de série, firmware, configuration).
• Politique de mise à jour planifiée (2–4 releases par an).
• Monitoring continu (logs, métriques, alertes) pour anticiper les pannes.

Applications, cas d’usage et ROI

Principaux cas d’usage

1. Éclairage public adaptatif

   • Dimming en fonction de la présence, de l’heure et de la météo.
   • Réduction de 50–70 % de la consommation par rapport au sodium haute pression.

2. Vidéosurveillance intelligente

   • Analyse vidéo embarquée (détection d’attroupements, d’incidents).
   • Intégration avec les centres de supervision urbains.

3. Mobilité électrique

   • Bornes AC 7–22 kW intégrées au mât.
   • Pilotage dynamique de la puissance pour éviter les surcharges réseau.

4. Monitoring environnemental

   • Capteurs NO2, PM2.5, bruit, température, humidité.
   • Cartographie temps réel des îlots de chaleur et zones polluées.

5. Services citoyens

   • Wi‑Fi public, boutons d’appel d’urgence, diffusion audio ciblée.

Analyse économique

CAPEX

• Mutualisation du génie civil : un seul terrassement, un seul raccordement.
• Réduction de 30–40 % des coûts d’infrastructure par rapport à des systèmes séparés.

OPEX

• Baisse de 50–70 % des coûts énergétiques de l’éclairage.
• Réduction de 15–20 % des coûts de maintenance grâce à la supervision à distance.
• Optimisation des tournées (maintenance conditionnelle vs préventive systématique).

Horizon de ROI

• Projets typiques : 500–2 000 mâts sur 5–10 ans.
• Retour sur investissement souvent constaté entre 7 et 12 ans, selon le prix de l’énergie et les services monétisables (IRVE, télécoms, publicité).

Guide de sélection et tableau comparatif

Critères de sélection clés

• Capacité électrique : puissance disponible, réserve pour extensions futures.
• Capacité réseau : nombre de ports PoE, débit uplink (1/10 GbE), support fibre/4G/5G.
• Support protocoles : MQTT, DALI‑2, OCPP, ONVIF, API REST.
• Robustesse : indice IP (IP65+), IK, plage de température (‑20 à +50 °C).
• Sécurité : chiffrement, gestion des certificats, durcissement OS.
• Évolutivité : slots modulaires, mise à jour firmware OTA, compatibilité future 5G/6G.

Tableau comparatif type

Critère	Option A – Basique	Option B – Intermédiaire	Option C – Avancée 7‑en‑1
Puissance dispo par mât	3 kW	5 kW	8 kW
Ports PoE (802.3at/bt)	4 x 30 W	8 x 30 W	8 x 90 W
Uplink réseau	1 GbE cuivre	1 GbE fibre	10 GbE fibre + 4G/5G backup
Protocoles supportés	DALI, Modbus	DALI‑2, MQTT	DALI‑2, MQTT, CoAP, OCPP, ONVIF
Capteurs intégrés	Lumière, présence	+ bruit, température	+ qualité air, météo complète
IRVE intégrée	Non	Option 7–11 kW	2 x 22 kW AC
Cybersécurité	Basique (mot de passe)	TLS, pare‑feu simple	TLS 1.3, VPN, certificats X.509
Gestion OTA	Non	Firmware partiel	Firmware complet + config

Stratégie de déploiement

1. Phase pilote (50–100 mâts)

   • Valider la couverture réseau, la stabilité des protocoles et l’acceptation citoyenne.
   • Ajuster les scénarios d’éclairage et les politiques de sécurité.

2. Montée en charge (100–1 000+ mâts)

   • Industrialiser le processus : templates de configuration, pré‑câblage standard.
   • Mettre en place des KPI : disponibilité, consommation, incidents.

3. Optimisation continue

   • Exploiter les données pour affiner les politiques (dimming, IRVE, vidéo).
   • Prévoir des mises à jour majeures tous les 3–5 ans (radio, edge computing).

FAQ

Q: Qu’est‑ce qu’un mât urbain 7‑en‑1 ? A: Un mât urbain 7‑en‑1 est une infrastructure multifonction qui regroupe jusqu’à sept services dans un seul support : éclairage LED, connectivité (Wi‑Fi/4G/5G), vidéosurveillance, capteurs environnementaux, bornes de recharge pour véhicules électriques, signalisation dynamique et services citoyens (audio, boutons d’alerte, IoT). L’objectif est de mutualiser le génie civil, l’alimentation et la connectivité pour réduire les coûts et faciliter l’exploitation à l’échelle de la ville.

Q: Comment fonctionne l’architecture réseau d’un mât 7‑en‑1 ? A: L’architecture réseau repose généralement sur un switch Ethernet managé à l’intérieur du mât, qui agrège les flux des caméras, capteurs, bornes IRVE et contrôleurs d’éclairage. Ce switch est relié au réseau de la ville via fibre optique ou 4G/5G et supporte des VLAN pour séparer les usages (éclairage, vidéo, IoT, services critiques). Une passerelle IoT convertit les protocoles de terrain (DALI, Modbus, Zigbee) en MQTT ou CoAP pour la supervision centralisée et le pilotage à distance.

Q: Quels sont les principaux bénéfices des mâts 7‑en‑1 pour une collectivité ? A: Les bénéfices se situent à plusieurs niveaux. Sur le plan financier, la mutualisation permet de réduire de 30 à 40 % les coûts d’infrastructure par rapport à des installations séparées. Sur le plan énergétique, l’éclairage LED intelligent permet une économie de 50 à 70 % par rapport aux luminaires traditionnels. Les mâts améliorent également la sécurité (vidéo, boutons d’alerte), la qualité de service (Wi‑Fi, IRVE) et fournissent des données temps réel utiles pour la planification urbaine et la maintenance prédictive.

Q: Combien coûte typiquement un projet de déploiement de mâts 7‑en‑1 ? A: Le coût dépend fortement du niveau d’intégration (avec ou sans IRVE, vidéo 4K, 5G, etc.) et de la volumétrie. À titre indicatif, un mât 7‑en‑1 complet peut représenter un investissement de plusieurs dizaines de milliers d’euros par unité, installation comprise. Pour un projet de 500 à 1 000 mâts, le budget global se chiffre en millions d’euros. Toutefois, les économies d’énergie, la réduction des coûts de maintenance et les revenus potentiels (IRVE, télécoms, publicité) permettent d’envisager un ROI sur 7 à 12 ans.

Q: Quels protocoles de communication faut‑il privilégier pour assurer l’interopérabilité ? A: Pour l’éclairage, DALI‑2 (IEC 62386) est la référence. Pour l’IoT, MQTT sur TCP/IP avec TLS est largement adopté pour sa légèreté et sa scalabilité ; CoAP et LwM2M sont pertinents pour les capteurs très contraints. Les caméras devraient être compatibles ONVIF et utiliser RTSP pour le streaming. Les bornes de recharge doivent supporter OCPP 1.6 ou 2.0.1 pour communiquer avec les backends IRVE. Enfin, des API REST/JSON ouvertes sont essentielles pour intégrer les mâts aux plateformes de ville intelligente et aux GMAO existantes.

Q: Comment se déroule l’installation d’un mât urbain 7‑en‑1 ? A: L’installation se fait en plusieurs étapes. D’abord, une étude de site définit l’implantation, les besoins en puissance et la connectivité (fibre, 4G/5G). Ensuite, les travaux de génie civil préparent les fondations et le raccordement électrique. Le mât pré‑équipé (luminaires, baies techniques, câblage) est ensuite posé et raccordé. Les équipes procèdent alors à la configuration réseau (VLAN, VPN, QoS), à l’enrôlement des équipements (certificats, comptes) et aux tests de bout en bout (éclairage, vidéo, IRVE, capteurs). Une phase de mise en service pilote permet de valider les scénarios avant généralisation.

Q: Quelle maintenance est nécessaire pour ces mâts multifonctions ? A: La maintenance se divise entre préventive et corrective. La maintenance préventive inclut des inspections visuelles annuelles, la vérification des fixations, des coffrets électriques et des protections, ainsi que des tests de communication. La maintenance corrective est largement facilitée par la supervision à distance : les alertes de panne (luminaire, caméra, IRVE) sont remontées automatiquement via MQTT ou SNMP. Les mises à jour logicielles et firmware se font idéalement OTA, réduisant les déplacements sur site. Un plan de maintenance bien structuré peut réduire de 15 à 20 % les coûts opérationnels.

Q: Comment les mâts 7‑en‑1 se comparent‑ils à des solutions séparées (éclairage + caméras + IRVE distincts) ? A: Les solutions séparées offrent parfois plus de flexibilité locale, mais au prix d’un CAPEX et d’un OPEX plus élevés : multiplication des travaux de génie civil, des raccordements, des contrats de maintenance et des points de défaillance. Les mâts 7‑en‑1, en mutualisant structure, alimentation et réseau, réduisent significativement les coûts et simplifient la gestion. En revanche, ils exigent une architecture plus rigoureuse, une gouvernance claire entre services (éclairage, sécurité, mobilité) et une stratégie d’interopérabilité solide pour éviter la dépendance à un seul fournisseur.

Q: Quel retour sur investissement peut‑on attendre d’un projet de mâts 7‑en‑1 ? A: Le ROI dépend du périmètre fonctionnel et du contexte énergétique. En combinant 50–70 % d’économie d’énergie sur l’éclairage, 15–20 % de réduction des coûts de maintenance et des revenus potentiels issus de l’IRVE ou de la location d’infrastructures télécom, de nombreux projets atteignent un point mort entre 7 et 12 ans. L’intégration de capteurs environnementaux et de données de mobilité apporte en outre une valeur indirecte pour la planification urbaine, difficile à chiffrer mais stratégique pour la résilience et l’attractivité de la ville.

Q: Quelles certifications et normes doivent respecter ces mâts ? A: Les mâts 7‑en‑1 doivent respecter plusieurs familles de normes. Pour l’éclairage, les modules LED doivent être conformes à IEC 60598 et IEC 61347, et les systèmes de contrôle à IEC 62386 (DALI‑2). Les équipements réseau et électriques doivent suivre les normes de sécurité et CEM applicables (IEC, EN). Les bornes de recharge doivent respecter IEC 61851 et IEC 62196, et utiliser OCPP pour l’interopérabilité. En matière de connectivité, les interfaces Ethernet/PoE se conforment aux IEEE 802.3af/at/bt. Enfin, des référentiels de cybersécurité (par exemple ISO/IEC 27001) sont recommandés pour la gestion des données et des accès.

References

1. IEEE 802.3 (IEEE, 2018): Standard for Ethernet, including PoE (802.3af/at/bt) for powering networked devices in smart infrastructure.
2. IEC 62386 (IEC, 2021): Digital Addressable Lighting Interface (DALI‑2) standard for controlling LED drivers and lighting devices.
3. IEC 61851 & IEC 62196 (IEC, 2019): Standards for conductive charging systems and connectors for electric vehicles used in IRVE.
4. IEEE 2030.5 (IEEE, 2018): Application protocol for smart energy devices, relevant for integrating EV charging and demand response.
5. IEA (2023): Global EV Outlook – data and analysis on electric vehicle infrastructure deployment and smart charging.
6. ITU‑T Y.4900 Series (ITU, 2022): Key performance indicators and frameworks for smart sustainable cities.
7. ETSI TS 103 645 (ETSI, 2020): Cyber security for consumer IoT, applicable as best practice baseline for connected urban devices.
8. NISTIR 8259 (NIST, 2020): Foundational cybersecurity activities for IoT device manufacturers, relevant to smart city pole vendors.

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