Smart agriculture : monitoring IoT alimenté par l’énergie solaire

La convergence de l’Internet des objets (IoT), des capteurs de terrain et de l’énergie solaire transforme la gestion agricole. Pour les décideurs B2B (coopératives, exploitations de grande taille, intégrateurs, bureaux d’études), les systèmes de monitoring IoT alimentés par le solaire permettent de déployer des réseaux de mesure denses, fiables et autonomes, même dans des zones sans accès au réseau électrique.

Cet article détaille l’architecture technique d’une solution type, les spécifications clés à considérer, ainsi que des cas d’usage concrets en agriculture de précision.

1. Contexte et problématique : pourquoi l’IoT agricole a besoin du solaire

Les projets d’agriculture de précision reposent sur une collecte de données continue :

• humidité et température du sol à différentes profondeurs ;
• pluviométrie, rayonnement global, vitesse et direction du vent ;
• niveau des réservoirs, débit d’irrigation, pression dans les canalisations ;
• suivi des cultures (stress hydrique, maladies) via sondes ou caméras ;
• suivi du bétail (localisation, comportement, santé) sur de grandes surfaces.

1.1 Contraintes opérationnelles sur le terrain

Sur le terrain, plusieurs contraintes rendent l’alimentation électrique critique :

• Sites éloignés : parcelles à plusieurs kilomètres du point de raccordement au réseau ;
• Dispersion des capteurs : dizaines à centaines de nœuds IoT par exploitation ;
• Besoin de continuité de service : mesures toutes les 5–15 minutes, 24/7, y compris en hiver ;
• Coût de maintenance : remplacement fréquent de batteries = coûts de main-d’œuvre et d’arrêt ;
• Environnements sévères : poussière, humidité, UV, variations thermiques importantes.

Les solutions alimentées uniquement par batterie perdent rapidement en pertinence : autonomie limitée, visites de maintenance récurrentes, risque de perte de données pendant les périodes critiques (pointe d’irrigation, gel, canicule).

1.2 Apport de l’alimentation solaire pour les réseaux IoT agricoles

L’intégration de modules solaires à chaque station IoT ou à des points de collecte intermédiaires permet :

• une autonomie énergétique multi‑annuelle en combinant panneaux solaires et batteries longue durée ;
• la densification du maillage de capteurs sans dépendance au réseau ;
• la réduction drastique des visites de maintenance (de plusieurs fois par an à 1 visite préventive / an ou moins) ;
• la fiabilité des données en saison critique (irrigation intensive, pics de chaleur, gelées).

Pour un acheteur B2B, la question n’est plus de savoir si le solaire est pertinent, mais comment dimensionner et intégrer correctement le système solaire dans l’architecture IoT globale.

2. Architecture type d’un système de monitoring IoT agricole solaire

Un système complet de smart agriculture IoT alimenté par l’énergie solaire comporte généralement cinq couches techniques :

1. Capteurs et actionneurs (niveau terrain)
2. Nœuds IoT / data loggers
3. Sous-système énergétique solaire (panneau + stockage + gestion)
4. Réseau de communication (LoRaWAN, NB‑IoT, 4G/5G, etc.)
5. Plateforme de supervision et d’analyse (cloud ou on-premise)

2.1 Capteurs et actionneurs

Les capteurs les plus courants en agriculture de précision sont :

• Sondes d’humidité du sol (TDR, FDR, capacitives) :
  • Plage typique : 0–100 % VWC (Volumetric Water Content)
  • Précision : ±2–3 %
  • Profondeurs : 10–30–60 cm ;
• Capteurs de température et d’humidité de l’air :
  • Plage : −40 à +60 °C, 0–100 % HR
  • Indice de protection recommandé : IP65–IP67 ;
• Stations météo compactes :
  • Mesure du rayonnement global (W/m²), pluviométrie (mm), vent (m/s, °) ;
• Capteurs de pression et de débit pour réseau d’irrigation :
  • Pression : 0–10 bar, précision ±0,25 % FS ;
  • Débit : 0,1–10 m³/h selon diamètre ;
• Capteurs de niveau (cuves, bassins, fossés) : ultrason, pression, radar ;
• Caméras basse consommation pour suivi des cultures ou du bétail (optionnel, plus énergivore) ;
• Actionneurs : vannes motorisées, relais de commande de pompes, électrovannes.

Ces capteurs sont raccordés à un nœud IoT ou data logger qui gère l’acquisition, le pré-traitement et la transmission des données.

2.2 Nœuds IoT / data loggers

Les nœuds IoT pour l’agriculture doivent être :

• basse consommation (quelques dizaines de mW en moyenne) ;
• robustes (IP65 minimum, boîtier UV‑stabilisé, plage de −20 à +60 °C) ;
• flexibles en E/S (entrées analogiques 4–20 mA, 0–10 V, entrées numériques, RS‑485/Modbus) ;
• compatibles avec plusieurs protocoles radio (LoRaWAN, NB‑IoT, LTE‑M, parfois Zigbee ou Wi‑Fi local).

Spécifications typiques d’un nœud IoT agricole :

• Tension d’alimentation : 5–24 V DC ;
• Consommation en veille : < 100 µA ;
• Consommation en transmission : 50–200 mA (quelques secondes) ;
• Température de fonctionnement : −20 / +60 °C ;
• Indice de protection : IP65–IP67 ;
• Interfaces : 4× entrées analogiques, 4× entrées numériques, 1× RS‑485.

La consommation énergétique d’un nœud est le paramètre clé pour le dimensionnement du système solaire.

2.3 Sous-système énergétique solaire

Le sous-système énergétique se compose de :

1. Panneau solaire photovoltaïque (module 5–50 Wc selon le cas) ;
2. Batterie de stockage (LiFePO₄, lithium‑ion ou AGM) ;
3. Contrôleur de charge (PWM ou MPPT, souvent intégré au nœud ou au boîtier énergie) ;
4. Électronique de protection (surtension, décharge profonde, inversion de polarité).

2.3.1 Dimensionnement énergétique de base

Pour dimensionner, on part de la consommation moyenne du nœud + capteurs :

• Exemple type :
  • Nœud IoT : 0,2 Wh/jour (veille + transmissions ponctuelles)
  • Capteurs (4–6 sondes) : 0,5 Wh/jour
  • Modem cellulaire (NB‑IoT / LTE‑M, 4–6 transmissions/jour) : 0,8 Wh/jour
  • Total ≈ 1,5 Wh/jour.

On applique ensuite un coefficient de sécurité (x2 à x3) pour tenir compte :

• des jours de faible ensoleillement ;
• du vieillissement de la batterie ;
• de la marge pour des capteurs ou transmissions supplémentaires.

Ainsi, on dimensionnera :

• Panneau solaire : 5–10 Wc suffisent pour un nœud isolé basse consommation ;
• Batterie : viser 3–5 jours d’autonomie sans soleil.
  • Exemple : 1,5 Wh/j × 5 jours = 7,5 Wh.
  • Avec une batterie LiFePO₄ 12 V / 2 Ah (≈ 24 Wh utiles), on obtient une marge confortable.

Pour des stations plus complètes (caméra, passerelle LoRaWAN, routeur 4G), on passe typiquement sur :

• Panneau 20–50 Wc ;
• Batterie 12 V / 10–40 Ah (120–480 Wh).

2.3.2 Choix des technologies de batterie

• LiFePO₄ (lithium fer phosphate) :
  • • Longue durée de vie (2000–4000 cycles)
  • • Bonne tenue aux températures élevées
  • • Profondeur de décharge admissible élevée (70–80 %)
  • − Coût initial plus élevé ;
• AGM / Gel (plomb) :
  • • Coût plus bas
  • − Masse plus élevée
  • − Nombre de cycles plus limité (500–800 cycles)
  • − Sensible aux décharges profondes répétées.

Pour des déploiements intensifs et longue durée (>5 ans), la technologie LiFePO₄ est généralement recommandée.

2.4 Réseau de communication

Les choix de communication dépendent de la taille de l’exploitation, de la couverture opérateur et des contraintes réglementaires.

• LoRaWAN :
  • Portée : 2–15 km en champ libre ;
  • Très basse consommation ;
  • Idéal pour connecter des dizaines de nœuds à une passerelle centrale (elle-même alimentée par un système solaire plus dimensionné) ;
• NB‑IoT / LTE‑M :
  • Utilise le réseau cellulaire (opérateur) ;
  • Bonne pénétration en zone rurale ;
  • Consommation modérée (si transmissions peu fréquentes) ;
  • Pas besoin de passerelle locale ;
• 4G/5G :
  • Utilisé surtout pour les stations centrales (météo, vidéo, passerelles LoRaWAN) ;
  • Consommation plus élevée, nécessite un sous-système solaire plus puissant.

Dans une architecture optimisée, on combine souvent :

• capteurs → nœuds IoT LoRa ;
• nœuds LoRa → passerelle LoRaWAN (alimentée par solaire 20–50 Wc) ;
• passerelle → cloud via 4G/LTE‑M.

2.5 Plateforme de supervision et d’analyse

Les données collectées sont agrégées dans une plateforme (SaaS ou on-premise) permettant :

• la visualisation temps réel des mesures ;
• la configuration à distance des nœuds (fréquence de mesure, seuils d’alarme) ;
• le pilotage des actionneurs (vannes, pompes) ;
• l’intégration avec des algorithmes de recommandation d’irrigation ou de fertilisation ;
• l’export vers des systèmes tiers (ERP, GMAO, outils agronomiques).

3. Cas d’usage concrets en agriculture

3.1 Irrigation de précision sur grande culture

Contexte : une exploitation de 800 ha en grandes cultures (maïs, soja, blé) souhaite réduire sa consommation d’eau et d’énergie d’irrigation tout en sécurisant les rendements.

Solution déployée :

• 40 stations de mesure d’humidité du sol réparties sur les parcelles, chacune équipée :
  • de 3 sondes à 20/40/60 cm ;
  • d’un nœud LoRaWAN basse consommation ;
  • d’un kit solaire 10 Wc + batterie LiFePO₄ 12 V / 4 Ah ;
• 3 passerelles LoRaWAN solaires (panneau 40 Wc, batterie 12 V / 40 Ah) connectées en 4G ;
• Intégration des données dans un logiciel d’aide à la décision pour l’irrigation.

Résultats observés (ordre de grandeur) :

• Réduction de 20–25 % du volume d’eau pompé ;
• Baisse de 15–20 % de la consommation électrique des pompes ;
• Moins de 1 intervention de maintenance/an par station (inspection visuelle + nettoyage panneau) ;
• Retour sur investissement en 3–4 ans, principalement via les économies d’eau et d’énergie.

3.2 Suivi de serres maraîchères hors réseau

Contexte : un groupement de producteurs maraîchers exploite des serres plastiques dans une zone rurale avec un réseau électrique peu fiable. Les coupures compromettent le contrôle climatique et l’irrigation.

Solution déployée :

• Dans chaque serre :
  • station météo interne (T°, HR, CO₂, luminosité) ;
  • capteurs d’humidité du substrat ;
  • contrôleur de climat (ouvertures, ventilation) ;
  • nœud IoT avec modem LTE‑M ;
  • kit solaire 30 Wc + batterie LiFePO₄ 12 V / 20 Ah ;
• Supervision centralisée sur une plateforme cloud, alertes SMS en cas de dépassement de seuils.

Bénéfices :

• Continuité de service même en cas de coupure réseau ;
• Amélioration de la qualité et de l’homogénéité des productions ;
• Réduction des pertes liées à des stress climatiques non détectés.

3.3 Suivi du bétail en pâturage extensif

Contexte : un élevage bovin extensif sur 2000 ha souhaite suivre la localisation et l’activité du troupeau pour optimiser les rotations de pâturage et limiter les pertes d’animaux.

Solution déployée :

• Colliers connectés basse consommation (GPS + accéléromètre) communiquant en LoRa ;
• 6 passerelles LoRaWAN solaires sur des points hauts :
  • panneaux 50 Wc, batteries 12 V / 40 Ah ;
  • routeur 4G pour remontée des données ;
• Cartographie temps réel des déplacements, alertes en cas de sortie de zone.

Résultats :

• Réduction du temps de recherche des animaux ;
• Optimisation des charges de pâturage par parcelle ;
• Meilleure prévention des incidents (animaux isolés, immobilisés).

4. Bénéfices pour les acteurs B2B et points de vigilance techniques

4.1 Bénéfices pour les exploitations et coopératives

• Réduction des coûts opérationnels : moins de déplacements pour relevés manuels, moins de remplacements de batteries ;
• Décisions basées sur des données fiables : irrigation, fertilisation, protection des cultures ;
• Traçabilité et conformité : historique des conditions de culture, utile pour certifications et audits ;
• Résilience énergétique : fonctionnement indépendant du réseau, y compris en zones isolées.

4.2 Bénéfices pour intégrateurs, bureaux d’études et OEM

• Possibilité de proposer des solutions clés en main combinant capteurs, IoT et énergie solaire ;
• Standardisation des kits solaires par typologie de station (simple capteur, station météo, passerelle) ;
• Différenciation sur le marché par la fiabilité et la faible maintenance ;
• Opportunité de contrats de service long terme (maintenance préventive, supervision).

4.3 Points de vigilance techniques

1. Dimensionnement énergétique réaliste

   • Intégrer la consommation en mode dégradé (températures extrêmes, transmissions plus fréquentes) ;
   • Prendre en compte le profil d’ensoleillement local (hiver, latitudes élevées) ;
   • Prévoir une marge de 30–50 % sur la capacité batterie.

2. Qualité des composants

   • Panneaux solaires avec cadre aluminium anodisé, verre trempé, câblage UV‑résistant ;
   • Batteries adaptées aux cycles quotidiens et aux températures extérieures ;
   • Boîtiers IP65+ avec presse‑étoupes et connecteurs étanches.

3. Gestion de la maintenance

   • Accès facile aux panneaux pour nettoyage ;
   • Journalisation des tensions batterie pour anticiper les remplacements ;
   • Mise en place d’un plan de maintenance préventive (1 visite annuelle).

4. Sécurité et cybersécurité

   • Chiffrement des communications (TLS, AES) ;
   • Gestion des identités et des droits d’accès à la plateforme ;
   • Mises à jour OTA (Over‑The‑Air) sécurisées des firmwares des nœuds.

5. Recommandations de conception pour un projet de smart agriculture solaire

Pour les décideurs techniques et acheteurs, quelques lignes directrices permettent de structurer un projet robuste.

5.1 Étapes de cadrage

1. Cartographie des besoins : types de mesures, fréquence, zones à couvrir, actionneurs à piloter ;
2. Analyse de la connectivité : couverture cellulaire, topographie pour LoRa, contraintes réglementaires radio ;
3. Profil énergétique : calcul de la consommation de chaque type de station ;
4. Choix de l’architecture : nœuds autonomes vs réseau maillé autour de passerelles solaires ;
5. Spécification des kits solaires par typologie de station.

5.2 Spécifications techniques minimales recommandées

Pour des stations de capteurs autonomes :

• Panneau : 5–20 Wc selon latitude et consommation ;
• Batterie : LiFePO₄ 12 V / 2–10 Ah ;
• Contrôleur de charge MPPT ou PWM industriel ;
• Boîtier IP65, −20 / +60 °C ;
• Connectivité : LoRaWAN ou NB‑IoT / LTE‑M.

Pour des passerelles LoRaWAN / stations centrales :

• Panneau : 20–50 Wc (voire plus si vidéo) ;
• Batterie : 12 V / 20–60 Ah ;
• Routeur 4G/5G industriel, antennes externes ;
• Mât ou structure pour dégagement des antennes et des panneaux.

5.3 Bonnes pratiques d’intégration

• Orientation et inclinaison des panneaux adaptées à la latitude (souvent 25–35°) ;
• Protection mécanique contre les chocs (animaux, engins agricoles) ;
• Raccordement via connecteurs rapides pour faciliter la maintenance ;
• Tests de réception radio et de performance énergétique en conditions réelles avant déploiement massif ;
• Documentation claire (schémas, procédures) pour les équipes locales.

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En combinant une conception énergétique rigoureuse, des composants IoT basse consommation et une architecture réseau adaptée, le monitoring IoT agricole alimenté par l’énergie solaire devient un levier structurant pour l’agriculture de précision, avec des gains mesurables en eau, énergie et productivité, tout en limitant les coûts de maintenance sur le long terme.

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À propos de SOLARTODO

SOLARTODO est un fournisseur mondial de solutions intégrées spécialisé dans les systèmes de production d'énergie solaire, les produits de stockage d'énergie, l'éclairage public intelligent et solaire, les systèmes de sécurité intelligents et IoT, les pylônes de transmission électrique, les tours de télécommunications et les solutions d'agriculture intelligente pour les clients B2B du monde entier.