UrbaCaptor — Réseau de capteurs environnementaux LoRaWAN pour territoires complexes
Infrastructure open source de mesure environnementale distribuée. Particules fines, bruit urbain, température, humidité — déployée sur réseau LoRaWAN en terrain côtier, valléen et urbain dense.
Nœud capteur — architecture de référence
La pile matérielle ci-dessous est en cours d'évaluation et de prototypage. Elle constitue l'architecture de référence pour les nœuds de mesure autonomes du réseau UrbaCaptor.
SCHÉMA BLOC — NŒUD CAPTEUR LORAWAN
Basse consommation
Deep Sleep entre les cycles de mesure. Budget énergétique dimensionné pour un fonctionnement continu sans soleil pendant 5 à 7 jours selon la configuration.
Déploiement extérieur
Boîtier en cours de conception : étanchéité IP, ventilation passive pour le capteur PM, protection UV. Contraintes thermiques étudiées pour les environnements littoraux et d'altitude.
Maintenance minimale
Firmware mis à jour Over-the-Air via LoRaWAN (FUOTA). Pas d'intervention terrain pour les mises à jour logicielles. Surveillance de l'état batterie transmise avec chaque paquet.
Pourquoi une grille de mesure distribée
Une station météorologique unique ne peut pas représenter l'ensemble d'une ville. Les phénomènes environnementaux sont hautement localisés — en particulier dans les territoires au relief marqué, les villes côtières et les centres urbains denses.
Station unique — résolution insuffisante
Une station fixe mesure les conditions à un point précis. À quelques centaines de mètres, la concentration en PM2.5 peut différer d'un facteur 2 à 5 selon l'exposition au trafic, le canyon urbain ou l'inversion thermique locale.
Grille distribuée — résolution spatiale
Un réseau de nœuds espacés de 200 à 500 m permet de construire une cartographie continue par interpolation spatiale (krigeage, IDW). Chaque nœud contribue à une vision à haute résolution du territoire.
Flux côtier
Brises marines, transport de particules sel et aérosols
Canyons urbains
Accumulation de polluants entre bâtiments hauts
Inversions thermiques
Concentration nocturne de polluants au fond des vallées
Trafic concentré
Gradient PM2.5 élevé aux abords des axes structurants
Bruit localisé
Hétérogénéité acoustique non détectable sans grille
Microclimats
Variations T° et HR sur de courtes distances en terrain complexe
Architecture réseau LoRaWAN
Les nœuds capteurs n'assurent pas de relayage entre eux. Chaque nœud émet directement vers les passerelles. Plusieurs passerelles peuvent recevoir simultanément la même transmission.
868 MHz
Eth/4G
Pas de relayage mesh
Les nœuds émettent directement vers les passerelles. Aucune logique de routage entre nœuds. La couverture dépend entièrement du positionnement des passerelles.
Réception multi-passerelle
Une même trame peut être reçue par plusieurs passerelles simultanément. Le Network Server (ChirpStack) déduplique les paquets et sélectionne le meilleur RSSI.
Impact du terrain
Le relief influence fortement la portée radio. Un relief valléen crée des zones d'ombre RF. Les passerelles sur hauteur compensent cet effet par visibilité directe sur les fonds de vallée.
Simulation de couverture et analyse terrain
Avant tout déploiement physique, la couverture radio est estimée à partir de modèles numériques de terrain (MNT) et d'analyses de visibilité. Cette étape de pré-déploiement permet d'optimiser le positionnement des passerelles et d'identifier les zones d'ombre RF.
Import du modèle numérique de terrain
Import du MNT RGE ALTI IGN (1 m ou 5 m) dans QGIS. Génération des ombres portées (hillshade) pour visualiser le relief et identifier les crêtes et fonds de vallée.
Placement initial des passerelles
Positionnement hypothétique des passerelles sur les points hauts identifiés. Calcul du bassin de visibilité (viewshed) depuis chaque position candidate.
Identification des zones d'ombre RF
Superposition des viewsheds de chaque passerelle. Détection des zones sans couverture directe — typiquement les fonds de vallée encaissés et les revers de relief.
Optimisation de la densité de la grille de nœuds
Ajustement itératif de la densité des nœuds selon les zones d'intérêt environnemental (axes trafic, zones résidentielles, secteurs industriels) et les contraintes de couverture radio.
Analyse de relief
Hillshade QGIS — RGE ALTI 5m
Simulation couverture initiale
Viewshed depuis position en hauteur
Zones de faible couverture
Analyse pré-déploiement — simulation
Ces vues sont des espaces réservés pour les captures QGIS issues de l'analyse de couverture en cours. Aucun déploiement réel n'est actif à ce stade.
Spectre de détection complet
Une surveillance multidimensionnelle pour comprendre la composition exacte de votre air.
Particules fines
Analyse laser en temps réel des particules en suspension, classées par diamètre aérodynamique.
Gaz
- Monoxyde d'Azote NO
- Dioxyde d'Azote NO2
- Monoxyde de Carbone CO
- Dioxyde de Carbone CO2
Données contextuelles
L'humidité et la température influencent la dispersion des polluants. UrbaCaptor les intègre pour normaliser ses mesures.
Projet Open Source & Makers
UrbaCaptor est un projet citoyen. Nous croyons en la souveraineté technologique et le partage des connaissances. Construisez votre propre station de mesure et rejoignez le réseau.
Liste des composants
Accédez à la nomenclature complète (BOM) pour commander vos pièces chez vos fournisseurs habituels.
Demander la liste arrow_forwardCode Source
Le firmware LoRaWAN et le code du backend sont disponibles sous licence MIT sur notre dépôt GitHub.
Accéder au dépôt arrow_forwardPlans 3D
Téléchargez les fichiers STL pour imprimer en 3D votre boîtier de protection ou utilisez les plans de découpe laser.
Télécharger arrow_forwardSpécifications Techniques
terminal| Connectivité | Module LoRaWAN 868MHz / 915MHz, Portée jusqu'à 15km |
|---|---|
| Géolocalisation | u-blox MAX-M10S — GNSS multi-constellation (GPS, Galileo, GLONASS, BeiDou) — précision < 2 m CEP |
| Énergie | Panneau Solaire 5W + Batterie LiFePO4 10Ah (Autonomie 7 jours sans soleil) |
| Précision PM | ±10% (0 à 100 μg/m³), ±10% (100 à 1000 μg/m³) |
| Matériaux | Polycarbonate stabilisé UV, Aluminium brossé anodisé |
| Mises à jour | Mise à jour du firmware Over-the-Air (OTA) via LoRa |
Cadre réglementaire LoRa en France
Comprendre les règles d'utilisation des équipements LoRaWAN pour un déploiement conforme et serein sur le territoire français.
La bande 868 MHz : une fréquence libre en Europe
LoRa opère en France sur la bande 868 MHz (863–870 MHz), désignée bande ISM (Industrial, Scientific and Medical). Cette bande est harmonisée à l'échelle européenne par la norme ETSI EN 300 220 et encadrée par les décisions de la Commission européenne et de la CEPT. Son accès ne nécessite aucune attribution individuelle de fréquence : elle est ouverte à tous les utilisateurs, sous réserve du strict respect de contraintes techniques.
Le rôle de l'ARCEP
L'ARCEP (Autorité de Régulation des Communications Électroniques, des Postes et de la Distribution de la Presse) est l'autorité compétente en France pour l'attribution et la gestion du spectre radioélectrique. Pour les bandes ISM, elle transpose dans le droit national les décisions européennes. L'utilisation de la bande 868 MHz constitue une utilisation de droit, définie à l'article L. 41-1 du Code des postes et des communications électroniques (CPCE) : aucune licence individuelle ni déclaration préalable n'est requise pour un usage standard.
Contraintes techniques obligatoires
Opérer en bande ISM ne signifie pas opérer sans règles. Trois contraintes s'imposent à tout déploiement :
25 mW sur les sous-bandes principales (868,0–868,6 MHz). D'autres sous-bandes autorisent jusqu'à 500 mW avec un duty cycle plus restrictif.
Temps d'émission limité à 36 secondes par heure sur la sous-bande g1. Contrainte gérée automatiquement par le protocole LoRaWAN.
Conformité à la directive 2014/53/UE (Radio Equipment Directive). Obligatoire pour tout équipement mis sur le marché européen.
Responsabilité de non-interférence
La bande ISM est partagée avec d'autres appareils (alarmes, capteurs météo, télécommandes…). Chaque opérateur est légalement responsable de ne pas causer d'interférences préjudiciables aux autres utilisateurs légitimes (article L. 43 du CPCE). En cas de plainte, il doit modifier ou cesser son émission.
Réseau public vs réseau privé
Réseau public : opérateurs comme Orange LoRa ou Objenious (Bouygues). Les obligations radio incombent à l'opérateur.
Réseau privé : la collectivité déploie ses propres passerelles. Les mêmes contraintes ISM s'appliquent, sans démarche déclarative supplémentaire. La collectivité assume la responsabilité technique.
Cas spécifiques : déploiement urbain
La réglementation radio ne crée pas d'obstacle au déploiement urbain. D'autres réglementations entrent cependant en jeu :
- arrow_forward Mobilier urbain (poteaux, mâts, feux tricolores) : une autorisation du gestionnaire de voirie est requise — commune, métropole ou département. Elle prend la forme d'une convention de mise à disposition ou d'un arrêté municipal.
- arrow_forward Façade d'un bâtiment public : selon les communes, une déclaration préalable de travaux peut être nécessaire pour la fixation d'un boîtier.
- arrow_forward Ces démarches relèvent du droit de l'urbanisme et de la voirie, non de la réglementation des fréquences radio.
À retenir
- • Bande 868 MHz libre d'accès, sans licence ni déclaration, pour tout usage conforme à la norme ETSI EN 300 220.
- • Puissance maximale : 14 dBm EIRP (25 mW) — duty cycle : 1 % sur les sous-bandes principales.
- • Tout équipement doit porter le marquage CE (directive RED 2014/53/UE).
- • Réseau privé ou public : mêmes règles radio, responsabilités différentes.
- • Installation physique sur voirie ou mobilier urbain : autorisation du gestionnaire requise, indépendamment de la réglementation radio.
Exemple concret : déploiement sur feux tricolores
Une ville déploie 20 capteurs UrbaCaptor sur ses feux de signalisation. Elle conclut une convention avec le gestionnaire de voirie, équipe les capteurs de modules LoRa homologués CE, et déploie sa propre passerelle hébergée en mairie (réseau privé). Aucune démarche auprès de l'ARCEP n'est nécessaire. Le respect du duty cycle est assuré automatiquement par le firmware LoRaWAN. La collectivité reste responsable de l'absence d'interférence et de la maintenance du réseau.
Environmental Sensor Node
Le réseau UrbaCaptor repose sur des nœuds de capteurs environnementaux à faible consommation basés sur LoRaWAN, déployés en grille sur l'ensemble du territoire urbain. Chaque nœud fonctionne de manière autonome, alimenté par l'énergie solaire, et transmet ses données en continu vers l'infrastructure de collecte.
ESP32-S3-WROOM-1-N16R8
MCU principal gérant les capteurs, le traitement local, la communication LoRa et la gestion basse consommation.
Retenu pour sa grande PSRAM, le support OTA, le support I2S et sa puissance de calcul suffisante pour le traitement audio en temps réel.
SX1262
Émetteur-récepteur LoRa longue portée basse consommation sur 868 MHz LoRaWAN.
Optimisé pour la couverture en terrain urbain et montagneux.
Sensirion SPS30
Mesure de particules PM1 / PM2.5 / PM10 par diffusion laser.
Sélectionné pour sa stabilité à long terme et sa fiabilité en environnement extérieur.
BME280
Mesure de température, humidité et pression atmosphérique.
Faible consommation et haute stabilité pour les mesures environnementales continues.
SPH0645 I2S MEMS
Microphone MEMS I2S pour la surveillance continue du bruit urbain avec traitement DSP local.
Calcul des métriques Leq, Lmax, L10 et L90 directement sur le nœud.
u-blox MAX-M10S
Récepteur GNSS multi-constellation ultra-basse consommation, compatible Galileo, GPS, GLONASS et BeiDou.
Géolocalise chaque mesure avec une précision < 2 m CEP pour la cartographie spatiale et le déploiement flexible des nœuds sans configuration manuelle.
Chaîne solaire autonome
- Batterie Li-ion 18650
- Panneau solaire 5V, 3W–6W
- IC de charge solaire BQ24074
- Régulateur buck haute efficacité TPS62162 (ou équivalent)
checklist Objectifs de conception du nœud
Coût estimé par nœud capteur
receipt_long| ESP32-S3-WROOM-1-N16R8 | ~10 € |
| Module LoRa SX1262 | ~8 € |
| SPS30 | ~40 € |
| BME280 | ~5 € |
| GPS GNSS u-blox MAX-M10S | ~10 € |
| Microphone MEMS SPH0645 | ~6 € |
| Gestion d'alimentation + charge | ~15 € |
| Batterie + panneau solaire | ~20 € |
| Boîtier + antenne | ~20 € |
| Total estimé par nœud | ~110–140 € |
Estimation selon la configuration de boîtier et d'alimentation. Coût variable selon les fournisseurs et les volumes commandés.
Surveillance acoustique urbaine
Le nœud UrbaCaptor intègre un microphone MEMS I2S pour la surveillance continue du bruit urbain. Tout le traitement numérique du signal s'effectue localement sur l'ESP32-S3 — seules des métriques statistiques agrégées sont transmises.
equalizer Métriques calculées on-device
Niveau de pression acoustique moyen sur une fenêtre temporelle. Indicateur principal de l'exposition au bruit.
Pic de niveau acoustique sur la période de mesure. Indicateur des événements sonores ponctuels.
Niveau dépassé 10 % du temps. Représente les pics de bruit récurrents (passages de véhicules).
Bruit de fond ambiant — niveau dépassé 90 % du temps. Indicateur du niveau résiduel hors événements.
Vie privée — aucun audio stocké
L'audio brut n'est jamais enregistré ni transmis. Seules les métriques statistiques (Leq, Lmax, L10, L90) calculées sur des fenêtres glissantes sont envoyées via LoRaWAN. Le nœud ne peut pas être utilisé comme dispositif d'écoute.
Contraintes outdoor
- Protection contre le vent (mousse acoustique, diffuseur) pour réduire les artefacts de souffle
- Calibration terrain par rapport à un sonomètre de référence (classe 2)
- Détection des événements vent pour exclusion des mesures aberrantes
- Fréquence d'échantillonnage 16 kHz — traitement FFT sur ESP32-S3
La surveillance acoustique distribuée permet de produire des cartes de bruit continues par interpolation spatiale, complémentaires aux études acoustiques ponctuelles réalisées par bureau d'étude. Elle ne remplace pas une mesure métrologique certifiée mais offre une couverture temporelle et spatiale impossible à atteindre avec des appareils conventionnels.
Infrastructure de passerelles LoRaWAN
Les passerelles sont positionnées stratégiquement sur les hauteurs et les versants intermédiaires afin de maximiser la couverture des vallées et du tissu urbain. Chaque passerelle assure la réception multi-canal simultanée des nœuds capteurs et le transfert des données vers l'infrastructure de collecte.
Raspberry Pi 4 ou SBC Linux équivalent
Gestion du transfert de paquets (packet forwarder), administration distante et supervision du réseau LoRaWAN.
SX1302 / SX1303
Réception multi-canal de paquets LoRaWAN. Permet la réception simultanée d'un grand nombre de nœuds capteurs sur plusieurs canaux et facteurs d'étalement.
Antenne omnidirectionnelle extérieure 868 MHz
Montage en hauteur pour une couverture optimisée. Câblage coaxial faibles pertes et connecteurs N-type étanches.
Ethernet / Fibre / WiFi / 4G
Backhaul adapté au site de déploiement. Ethernet ou fibre sur les sites raccordés, 4G pour les emplacements isolés ou en altitude.
Secteur AC ou système solaire autonome
Alimentation secteur sur les sites accessibles. Système solaire autonome (panneau + batterie + régulateur MPPT) pour les emplacements en hauteur ou sans infrastructure électrique disponible.
Coût estimé par passerelle
receipt_long| Raspberry Pi 4 | ~70 € |
| Concentrateur SX1302/SX1303 | ~120 € |
| Antenne extérieure | ~40 € |
| Boîtier + protection foudre | ~60 € |
| Câblage + fixation | ~30 € |
| Système solaire (optionnel) | 100–200 € |
| Total estimé par passerelle | ~250–500 € |
Estimation selon les conditions de déploiement et la nécessité d'un système solaire autonome.
Où en est le projet
UrbaCaptor est en phase de recherche et de prototypage. Aucun déploiement réseau n'est actif à ce stade. Ce tableau de bord reflète l'état réel des travaux en cours.
Analyse de terrain et relief
Import et analyse MNT IGN dans QGIS. Identification des positions de passerelles candidates sur crêtes et versants.
En coursSimulation de couverture LoRaWAN
Calcul de viewsheds et estimation de la couverture radio depuis les positions passerelles identifiées. Identification des zones d'ombre RF.
En coursDéfinition de l'architecture LoRaWAN
Stack réseau définie : ESP32-S3 + SX1262 → ChirpStack → InfluxDB → Grafana. Choix validés sur la base des contraintes terrain et de la disponibilité des composants.
En coursÉvaluation de la pile capteurs
SPS30, BME280 et SPH0645 évalués sur banc de test. Validation des plages de mesure, de la stabilité et de la consommation à l'unité.
En coursPrototypage sur breadboard
Assemblage des premiers composants sur breadboard. Tests de communication LoRa point-à-point et validation de l'acquisition capteurs.
DémarréArchitecture d'alimentation
Conception du budget énergétique : Deep Sleep, cycles de mesure, charge solaire BQ24074. Simulation de l'autonomie selon l'ensoleillement.
DémarréConception PCB
Routage du circuit imprimé intégrant MCU, transceiver LoRa, capteurs et gestion d'alimentation.
À venirDéploiement passerelles
Installation physique des passerelles sur les points hauts identifiés et validation de la couverture terrain réelle.
À venirPrototype matériel en cours
Les visuels ci-dessous représentent le premier prototype du nœud UrbaCaptor, actuellement en phase de développement. Il s'agit d'une maquette de travail — non d'un produit finalisé — destinée à valider l'intégration mécanique et électronique avant la conception du PCB définitif.
Faites glisser pour orbiter · Pincez ou molette pour zoomer · Clic droit pour déplacer
Cliquez sur l'image pour l'agrandir en pleine résolution
Documentation technique
Fiche complète du prototype : nomenclature des composants, connexions, dimensionnement de l'alimentation et contraintes mécaniques.
download Télécharger le PDFÀ propos de ce prototype
- — Prototype à tester sur breadboard. PCB non définitif
- — Forme du boîtier en cours de conception.
Feuille de route du projet
Progression structurée du projet UrbaCaptor, de la phase de recherche au déploiement à grande échelle.
Recherche & conception système
- Analyse de terrain et simulation de couverture radio
- Définition de l'architecture LoRaWAN
- Sélection des capteurs et budgétisation de la consommation
- Stratégie de mesure environnementale et acoustique
Prototypage matériel
- Assemblage des premiers nœuds capteurs
- Intégration de la communication LoRa
- Validation et calibration des capteurs
- Prototypage initial du boîtier
Développement firmware
- Gestion de la basse consommation
- Stack de communication LoRaWAN
- Logique d'acquisition des capteurs
- Traitement DSP local pour les mesures acoustiques
- Support des mises à jour OTA
Déploiement des passerelles
- Installation des passerelles en hauteur
- Validation de la couverture radio
- Optimisation RF et ajustement des antennes
Intégration mécanique & outdoor
- Impression 3D et affinement du boîtier
- Validation de l'étanchéité (IP)
- Optimisation thermique et ventilation
Tests terrain
- Tests de couverture radio en conditions réelles
- Mesures d'autonomie batterie
- Validation de la charge solaire
- Test de stabilité long terme des capteurs
- Cohérence des mesures acoustiques
Infrastructure de données
- Ingestion MQTT
- Intégration base de données
- Tableaux de bord temps réel
- Génération de cartes thermiques et interpolation spatiale
Extension du réseau
- Déploiement de nœuds supplémentaires
- Densification des vallées et zones de faible couverture
- Optimisation continue de la couverture
- Procédures de maintenance à long terme
Prendre contact
Test de prototype, déploiement pilote, contribution au matériel ou au firmware — décrivez votre contexte et nous revenons vers vous.