Pour faire fonctionner un nœud de télémesure ESP32 24 h/24 et 7 j/7 pendant l'hiver sud-africain avec une transmission des mesures toutes les 15 minutes, vous avez besoin d'un unique accumulateur lithium-ion 18650 de 2 200 à 2 600 mAh et d'un panneau solaire monocristallin de 2 W à 5 W (5 V ou 6 V). L'ensemble du sous-système d'alimentation revient à moins de R250 par nœud. Cependant, ce calcul ne tient que si vous éliminez la principale fuite d'énergie des projets IoT réalisés par les élèves en classe : le courant de repos au niveau de la carte.

Le piège du courant de repos

Une puce ESP32 en sommeil profond (deep sleep) consomme environ 10 à 15 microampères (µA). Pourtant, les enseignants et les élèves déploient fréquemment des cartes de développement standard (comme la NodeMCU ESP32 ou l'ESP32 DevKit V1) et constatent qu'une batterie de 2 500 mAh se vide en trois jours sans ensoleillement. Pourquoi ?

Les cartes de prototypage standard intègrent deux composants énergivores qui ne se mettent jamais en veille :

• Le pont USB-UART (tel que le CP2102 ou le CH340), qui continue de consommer entre 0,5 mA et 15 mA même lorsqu'aucun câble USB n'est branché.
• Le régulateur à faible chute de tension (LDO) (souvent un AMS1117-3.3), dont le courant de repos se situe entre 5 mA et 10 mA simplement pour maintenir sa sortie sous tension.

Une carte consommant 10 mA en « veille » puise 240 mAh chaque jour simplement en restant inactive. En revanche, une carte ESP32 équipée d'un régulateur à très faible courant de repos (comme le HT7333 ou le ME6211, consommant ≤50 µA) combiné à un pont USB non alimenté réduit la consommation quotidienne en veille à moins de 2 mAh.

Le calcul de puissance : cycles de réveil de 15 minutes

Calculons la consommation énergétique quotidienne d'un capteur classique d'humidité du sol et de température ambiante transmettant ses télémesures à un courtier MQTT via Wi-Fi 2,4 GHz.

1. État actif (réveil et transmission)

• Courant consommé : ~180 mA en moyenne pendant la connexion Wi-Fi et la transmission.
• Durée : 4 secondes (démarrage, lecture des capteurs ADC/I2C, connexion au Wi-Fi, publication des données, passage en sommeil profond).
• Fréquence : toutes les 15 minutes = 4 fois par heure = 96 transmissions par jour.
• Énergie par salve : 180 mA × (4 s / 3 600 s) = 0,20 mAh.
• Consommation active quotidienne : 96 × 0,20 mAh = 19,2 mAh/jour.

2. État de sommeil profond

• Courant consommé (matériel optimisé) : 0,05 mA (50 µA).
• Durée : 24 heures moins ~6,4 minutes de temps actif ≈ 23,9 heures.
• Consommation quotidienne en veille : 23,9 h × 0,05 mA = 1,2 mAh/jour.

Consommation quotidienne totale : 19,2 mAh + 1,2 mAh ≈ 20,4 mAh par jour à 3,3 V (soit environ 0,07 Wh par jour). Même sur une carte non optimisée tournant au ralenti à 3 mA, la demande journalière atteint environ 90 mAh par jour.

Dimensionner la batterie 18650 pour l'autonomie

Dans les conditions hivernales sud-africaines — en particulier lors des fronts froids du Cap-Occidental ou des périodes prolongées de ciel couvert ailleurs —, vous devez concevoir votre système pour 5 jours consécutifs sans ensoleillement exploitable.

Un simple accumulateur 18650 standard de 2 200 mAh à 2 600 mAh offre une marge considérable pour un capteur optimisé. Même en limitant la décharge à une plage saine de 20 % à 80 % de profondeur de décharge (DoD, depth-of-discharge) afin de garantir une durée de vie de cinq ans à l'élément, 1 300 mAh de capacité utile assurent plus de 40 jours de fonctionnement autonome sans soleil sur du matériel optimisé.

Dimensionner le panneau solaire pour les heures d'ensoleillement hivernal

En Afrique du Sud, les heures d'ensoleillement de pointe (PSH, Peak Sun Hours) en hiver chutent considérablement selon les régions. Au Cap, les hivers enregistrent en moyenne 2,5 à 3,0 PSH en raison de la pluie et d'une couverture nuageuse dense, tandis que le Highveld maintient 4,0 à 4,5 PSH malgré des températures fraîches.

Nous dimensionnons pour le cas le plus défavorable (2,5 PSH) :

• Besoin énergétique quotidien : 21 mAh × 3,7 V nominal = ~0,08 Wh.
• Pertes du système : prévoyez un rendement combiné de 60 % (prenant en compte la poussière sur le panneau, la chute de tension du contrôleur de charge solaire TP4056/CN3065 et le rendement de charge chimique de la batterie).
• Production quotidienne requise : 0,08 Wh / 0,60 = 0,133 Wh/jour.
• Puissance minimale du panneau : 0,133 Wh / 2,5 PSH = 0,053 W (53 mW).

Mathématiquement, un minuscule panneau de 0,5 W pourrait alimenter ce nœud sous un ensoleillement idéal de laboratoire. En pratique, il convient d'installer un panneau de 2 W à 5 W, en 5 V ou 6 V. Pourquoi une telle marge de sécurité de 40× ? Lors des journées d'hiver très couvertes, l'irradiation solaire tombe à 5 %–10 % de la pleine lumière du jour. Un panneau de 5 W sous d'épais nuages gris produit encore 100 mW à 250 mW — largement assez pour couvrir la consommation de fonctionnement et maintenir la batterie au-dessus de son seuil de coupure.

Liste de contrôle pour le déploiement sur le terrain

• Inclinaison du panneau : orientez votre panneau plein nord avec une inclinaison égale à la latitude locale plus 10° à 15° (environ 45° dans le Cap-Occidental, 38° dans le Gauteng). Cet angle prononcé capte directement le soleil bas d'hiver et évacue naturellement les pluies hivernales et la poussière.
• Contrôleur de charge : utilisez un chargeur lithium solaire dédié basé sur le circuit intégré CN3065 plutôt qu'un simple TP4056. Le CN3065 gère les fluctuations de tension d'entrée sans baisse de tension critique (brownout) ni blocage en cas de baisse d'ensoleillement.
• Isolation de l'alimentation des capteurs : veillez à ce que les capteurs périphériques (comme les sondes capacitives d'humidité du sol) soient alimentés par une broche GPIO de l'ESP32 plutôt que par le rail 3,3 V. Ne passez la broche à l'état HAUT (HIGH) que pendant la fenêtre de mesure de 4 secondes afin d'éliminer toute consommation résistive continue.

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