La technologie Bluetooth® intègre le réseau maillé à l'Internet des objets

Le réseau maillé constitue une architecture clé de l'Internet des objets (IoT). Au cours des vingt dernières années, le réseau maillé a été implémenté avec succès dans le domaine de l'industrie par des normes comme IEEE804.15 ZigBee. Cela signifie que chaque nœud du réseau peut accepter et transférer des données vers un nœud à proximité, ce qui permet une évolution plus facile d'un réseau en ajoutant simplement de nouveaux nœuds. Cette approche est moins onéreuse et plus facile à implémenter que la nécessité d'utiliser d'autres dispositifs de passerelle ou points d'accès qui, en outre, nécessitent souvent une planification plus étendue pour éviter la collision de fréquences.

En comparaison, la technologie Bluetooth^® est principalement une connexion point-à-point, permettant d'établir une liaison vers un smartphone ou un point d'accès, comme iBeacon ou Eddystone. C'est pourquoi elle est largement utilisée dans les technologies corporelles, fournissant une liaison vers un smartphone et, en conséquence, vers l'Internet plus étendu. Cela a permis d'utiliser la technologie Bluetooth dans une large gamme d'applications de plus en plus connectées directement à Internet, impliquant une demande en réseau maillé.

Figure 1 : L'établissement de liaisons de nœuds vers les nœuds les plus proches permet au réseau maillé d'étendre plus rapidement la portée des dispositifs Bluetooth d'une pièce à une autre.

Les dernières versions de Bluetooth Smart, depuis la version 4.0, ont considérablement réduit la consommation énergétique, ainsi que le temps de configuration, mais également le débit binaire. Cela a des conséquences sur le réseau maillé, puisque le débit binaire est réduit de moitié pour chaque étape supplémentaire dans le réseau.

Cependant, certains spécialistes Bluetooth, comme Cambridge Silicon Radio, ont créé leur propre version de réseau maillé en se basant sur cette technologie. CSRmesh est une couche logicielle pour les dispositifs Bluetooth Low-Energy, qui leur permet non seulement de recevoir des messages et d'agir en conséquence, mais également de répéter ces messages aux dispositifs environnants. Cette capacité étend la portée de Bluetooth Smart et fournit un réseau maillé ad hoc simple pour l'IoT.

L'un des premiers déploiements majeurs de CSRmesh a eu lieu avec SK Telecom en Corée, qui a développé la première gamme au monde d'ampoules DEL intelligentes, qui servent également de balises Bluetooth Smart dans les environnements de vente. Cela permet de contrôler et de mettre en réseau de manière simple un nombre presque illimité d'ampoules intelligentes dans un magasin, tandis qu'en même temps, il est possible de cibler des utilisateurs de smartphone avec des offres spéciales basées sur l'emplacement.

Figure 2 : Carte de développement CSRmesh pour les applications intelligentes de contrôle de l'éclairage.

Les systèmes de balises disponibles actuellement sur le marché nécessitent l'installation de plusieurs capteurs sans fil dans le magasin, un processus qui est souvent très long, onéreux et qui nécessite une maintenance constante. L'approche CSRmesh permet d'utiliser un système de balisage qui ne nécessite aucune révision de l'infrastructure du bâtiment. Grâce à leur répartition uniforme dans le magasin, les balises DEL intelligentes permettent aux appareils d'éclairage existants d'offrir une couverture complète. La balise DEL repose également sur une alimentation secteur permanente, ce qui signifie que le fournisseur de service n'a plus besoin de gérer des centaines de dispositifs alimentés par batteries.

Le système utilise des ampoules DEL qui s'adaptent aux luminaires existants, et chaque ampoule communique avec les dispositifs voisins au sein d'un réseau maillé. Les ampoules intelligentes sont dotées d'un module pré-certifié basé sur le jeu de puces CSR1010 et la couche de protocole CSRmesh v1.2 avec une capacité de balise et une prise en charge mobile iOS et Android.

La carte de développement CSRmesh (Figure 2) permet aux concepteurs d'implémenter le protocole maillé au-dessus du logiciel Bluetooth standard. Cela permet de transmettre des messages sur plusieurs dispositifs Bluetooth Smart via une plateforme simplifiée pour les concepteurs de produits qui souhaitent développer rapidement un prototype de mise en réseau de produits Bluetooth Smart et tester les capacités d'une implémentation de réseau maillé.

Le kit comprend donc un ensemble complet d'outils à des fins d'évaluation et de développement logiciel : carte de développement, environnement de développement logiciel CSR xIDE, câbles d'interface et programmateur USB, applications CSRmesh d'exemple pour la carte de développement et applications hôtes d'exemple, et code source pour smartphones Android et Apple iOS.

Les cartes de développement sont généralement alimentées par deux piles AA, mais peuvent également être exécutées depuis la connexion USB hôte. Par ailleurs, il est facile d'utiliser d'autres cartes pour étendre le réseau.

Tout ce processus entre dans la résolution du défi de gestion de milliers de balises Bluetooth Smart dans un grand espace, comme un stade, avec des balises d'éclairage intelligent basées sur un réseau maillé.

Un autre fabricant de puces, Nordic Semiconductor, a également travaillé sur l'intégration du réseau maillé dans ses dispositifs Bluetooth Smart ultrabasse consommation pour fournir une solution de mise en réseau maillé sans fil ULP, entièrement développée et économique pour cibler les applications IoT.

Wirepas Pino est une pile de protocoles de réseau maillé à sauts multiples, auto-optimisée et entièrement automatique développée par Wirepas, pour fonctionner sur la puce Bluetooth nRF51822 de Nordic. Elle prend en charge des densités de nœuds élevées et une taille de réseau (nombre de nœuds) théoriquement illimitée avec une topologie réseau constamment auto-optimisée pour équilibrer le trafic des données sur le réseau entre les nœuds et s'adapter aux changements dans leur environnement d'exploitation, par exemple les interférences RF.

Cela peut considérablement améliorer la fiabilité du réseau. Ainsi, lorsqu'un nœud est hors service, le réseau sera automatiquement « corrigé » en réacheminant les communications au moyen d'autres nœuds voisins. Cela permet également de renforcer l'efficacité du réseau et de réduire la consommation de tous les nœuds, étant donné qu'il est possible de reconfigurer automatiquement et en continu le réseau pour maintenir des performances optimales, au fur et à mesure que des nœuds sont ajoutés.

Figure 3 : La startup finlandaise Wirepas imagine un réseau maillé sans fil établissant une connexion par Bluetooth dans de grands bâtiments.   

En conséquence, le groupe Bluetooth SIG (Special Interest Group) a intégré le réseau maillé dans la spécification Bluetooth pour permettre ce type de capacité dans les normes de manière à pouvoir ajouter tous les dispositifs certifiés Bluetooth à un réseau maillé. Étant donné l'augmentation de l'usage domestique des capteurs Bluetooth Smart, le réseau maillé est amené à devenir un composant intégral qui assurera la compatibilité des verrouillages intelligents, des éclairages, des systèmes de CVC et même des appareils grand public activés par Bluetooth pour fournir une expérience de maison intelligente transparente.

Le groupe de travail Bluetooth Smart Mesh Working Group développe actuellement l'architecture visant à standardiser la mise en réseau maillé de la technologie Bluetooth Smart. L'avancée a énormément de succès, avec plus de quatre-vingts entreprises membres qui se sont déjà portées volontaires pour participer au groupe, parmi les plus importantes du groupe de travail SIG.

Le groupe comprend des entreprises travaillant dans une diversité de secteurs, notamment l'automobile, la téléphonie mobile/la mobilité, l'automatisation industrielle, la domotique, l'électronique grand public et l'informatique. Au lieu de se concentrer sur un cas d'utilisation particulier, le groupe a pour objectif de créer une plateforme commune de développement pour tous les membres. Le groupe évalue actuellement plusieurs scénarios utilisateurs pouvant tirer parti du réseau maillé, notamment l'éclairage, le contrôle CVC, le suivi des actifs et la sécurité.

Pour faciliter l'implémentation de ce type de capacité, l'utilisation d'un module tel que le BLE113 de Silicon Labs est recommandée. Ce module est destiné aux accessoires et aux capteurs compacts basse consommation, et il intègre toutes les fonctionnalités requises pour une application Bluetooth Smart, de l'émetteur-récepteur radio à la gestion des batteries et à l'antenne unipolaire, en passant par la pile et les profils logiciels. Cela facilite l'intégration dans une conception existante grâce aux interfaces matérielles flexibles, et simplifie l'accès de ces conceptions à un réseau maillé. Une alimentation directe à l'aide de deux piles AAA ou d'une pile bouton standard de 3 V est possible. En mode veille à la plus basse consommation, ce module ne consomme que 500 nA et se réactive en quelques centaines de microsecondes.

Figure 4 : Module Bluetooth BLE113 de Silicon Labs.

L'un des avantages de l'approche de réseau maillé est que la technologie Bluetooth est quasiment invisible pour l'utilisateur. Grâce à une conception plus compacte, il est possible d'intégrer des émetteurs-récepteurs Bluetooth Smart, comme le DA14580 de Dialog Semiconductor, dans un équipement et d'établir automatiquement une connexion vers un autre nœud à proximité dans le réseau maillé. Cela permet de faciliter la configuration et l'exécution d'applications IoT et domotiques intelligentes.

Le dispositif DA14580 fournit un émetteur-récepteur radio entièrement intégré et un processeur de bande de base pour Bluetooth Smart 4.1, pouvant servir de processeur d'application autonome ou de pompe de données dans les systèmes hébergés. L'émetteur-récepteur prend en charge une architecture de mémoire flexible pour stocker les profils Bluetooth et le code d'application personnalisé, qu'il est possible de mettre à jour sans fil (OTA), avec une implémentation éventuelle ultérieure de protocole de réseau maillé. La pile de protocoles Bluetooth Smart qualifiée est stockée dans une mémoire ROM dédiée, et l'ensemble du logiciel s'exécute sur un processeur ARM Cortex-M0 16 MHz via un simple planificateur. Le dispositif a été optimisé pour une basse consommation et un format compact, de manière à s'adapter en toute discrétion aux conceptions.

Le micrologiciel Bluetooth Smart inclut les protocoles de couche de service L2CAP, un gestionnaire de sécurité (SM), un protocole d'attributs (ATT), le profil d'attributs génériques (GATT) et le profil d'accès générique (GAP), ainsi que des profils personnalisés, pouvant intégrer l'implémentation de réseau maillé.

Selon le groupe SIG, la technologie Bluetooth dans l'IoT offre une valeur inégalée avec une faible consommation énergétique, et constitue une solution sans fil largement disponible à moindre coût au service de l'IoT. La clé est que l'intégration du réseau maillé dans la spécification Bluetooth va permettre de mener la technologie vers des segments de marché entièrement nouveaux.

Selon le groupe de travail Smart Mesh Working Group, la spécification sera prête pour un test de prototype vers la fin 2015 et le groupe SIG pense adopter officiellement les profils en 2016.