Aperçu des technologies sans fil pour l'IoT

L'internet des objets (IoT) est à la fois connu et inconnu dans le monde moderne. Il s'agit d'un terme courant dans l'industrie technologique et le monde de l'entreprise, mais rarement entendu par le grand public, bien qu'il fasse partie de leur vie quotidienne. L'IoT est la connectivité d'objets physiques, tels que des appareils, des véhicules, des bâtiments, des dispositifs électroniques et des réseaux, qui leur permet d'interagir, et de collecter et d'échanger des données. Il s'applique à des millions d'objets différents, y compris des produits traditionnels mis à jour qui n'étaient auparavant pas connectés à Internet.

Cet article examine les nombreuses façons dont ces dispositifs peuvent communiquer sans fil.

Trois moyens de transférer des données dans le cloud

L'un des défis de l'IoT est de transférer les données du capteur d'un dispositif vers le cloud, où elles sont utilisées, traitées et stockées. L'utilisation omniprésente du Wi-Fi et du Bluetooth via les smartphones, ainsi que la disponibilité généralisée des antennes-relais de téléphonie mobile et des points d'accès Wi-Fi publics, offrent aux capteurs IoT un accès au cloud plus important que jamais. Il existe trois méthodes de base pour transférer des données dans le cloud.

Du capteur à la passerelle au cloud. Dans certaines applications, il est optimal d'envoyer les données du capteur à une passerelle qui transmet ensuite les données efficacement au cloud. Selon les besoins de l'application, la passerelle peut aller du simple système de relais à des plateformes intelligentes qui exécutent des fonctions plus intensives en termes de calcul appelées traitement en périphérie (edge processing). Les dispositifs tels que les capteurs de parking et les capteurs d'utilisation des bureaux s'appuient généralement sur des passerelles pour transmettre les données. Le Wi-Fi est un exemple de passerelle. Pour une utilisation à domicile, vous devez installer une passerelle Wi-Fi. Dans les lieux publics où la passerelle est déjà installée, le Wi-Fi fonctionne directement avec le cloud. D'autres types de communications sans fil, comme le Bluetooth, nécessitent une passerelle. Un exemple de Wi-Fi à la maison est Hatch Baby Grow, un matelas à langer intelligent avec balance connectée. Il utilise le Wi-Fi pour transmettre les données de la balance se trouvant dans le matelas à Internet. Les parents et le pédiatre peuvent suivre les informations dans le cloud grâce à une application Android ou iOS.

Du capteur au téléphone portable au cloud. Dans certains cas, la passerelle peut être un téléphone portable. Les smartphones avec technologie Wi-Fi ou Bluetooth servent de passerelle pour envoyer des données dans le cloud. Par exemple, Voler a contribué au développement d'oreillettes permettant de surveiller l'équilibre des personnes âgées. Ces dispositifs permettent la transmission sans fil Bluetooth LE vers un smartphone auquel est associée une application. Les données sont également envoyées du smartphone au cloud, où elles peuvent être traitées et partagées.

Du dispositif intelligent directement au cloud. Le capteur peut se connecter directement au cloud grâce à des technologies telles que NB-IoT, LTE-M ou LoRa. Ces technologies transmettent sur des kilomètres avec une très basse consommation, tant que le débit de données est faible. La connexion à Internet se fait via des équipements généralement installés sur des antennes-relais de téléphonie mobile. Le fonctionnement est similaire à celui des téléphones portables, sauf que le débit de données et la consommation sont beaucoup plus faibles. Il y a des frais mensuels, mais ils sont généralement très faibles.

Les facteurs à prendre en compte lors de la planification d'une stratégie de communications sans fil IoT incluent : la quantité de données à transférer, la distance entre la source de données et Internet, la consommation d'énergie requise et le coût du service, le cas échéant. L'utilisation généralisée des smartphones et le choix des normes radio Wi-Fi ou Bluetooth offrent une connectivité très pratique. Des normes plus récentes, telles que NB-IoT et LTE-M, ouvrent de nouvelles perspectives pour l'Internet des objets du futur.

Pourquoi de nouvelles technologies sont-elles nécessaires ?

L'IoT est toujours en pleine évolution. Chaque itération s'accompagne d'une consommation d'énergie plus faible, de communications sans fil plus étendues et de fonctionnalités améliorées. Les nouveaux dispositifs peuvent tirer parti des nouvelles technologies et offrir de meilleures performances.

Points à prendre en compte pour les compromis

Chaque fois que Voler conçoit un dispositif corporel ou tout autre dispositif fonctionnant sur batteries, les clients exigent qu'il offre les avantages suivants :

• Fonctionnement sur une durée plus longue
• Transmission d'une grande quantité de données sur une longue distance
• Fonctionnement sur une batterie miniature

Il y a des compromis à faire face à ces exigences concurrentes. L'ingénierie est une question de compromis. Il faut tenir compte des fonctionnalités système requises et faire les compromis techniques nécessaires pour fournir des performances optimales conformément aux exigences du système. Il est également important d'offrir une expérience utilisateur satisfaisante. Le résultat est une conception présentant les meilleurs compromis parmi les nombreux choix possibles.

Considérations sur les compromis

Voler a récemment travaillé avec une start-up pour améliorer l'autonomie batterie d'un produit connecté, basé sur l'impModule™ de Murata avec un processeur Arm® et un émetteur-récepteur Wi-Fi. Ils avaient besoin d'une autonomie de plusieurs semaines, et elle était inférieure à une semaine après le prototypage. Voler a révisé le code pour atteindre l'autonomie requise, car le code original ne fonctionnait pas comme prévu.

Dans la transmission sans fil, trois éléments doivent être gérés : la puissance requise pour la transmission, le débit de données et la portée de transmission. Il est important de choisir la bonne norme sans fil. Reportez-vous au tableau ci-dessous lors de la sélection d'une norme sans fil pour un dispositif IoT. Le tableau répertorie les normes sans fil courantes utilisées pour les dispositifs IoT, ainsi que leurs caractéristiques.

Tableau 1 : Normes sans fil courantes et leurs caractéristiques. (Source du tableau : Voler)

Les différentes normes sans fil exigent des niveaux de puissance très différents. La puissance requise dépend du débit de données et de la portée de transmission. Par exemple, le Tableau 1 indique qu'un dispositif a besoin d'une puissance de 120 mW pour transmettre 100 bits de données par seconde sur 1 kilomètre en utilisant le réseau cellulaire LTE. Mais en utilisant Bluetooth LE pour transmettre sur 1 mètre, un dispositif ne requiert que 0,15 mW de puissance.

Comparaison des normes IoT sans fil

Tableau 2 : Comparaison des normes IoT sans fil. (Source du tableau : Voler)

Exigences de puissance pour les options sans fil populaires

Si un dispositif ne doit transmettre des données que jusqu'à 10 mètres, les technologies BLE et Bluetooth sont suffisantes. Mais les dispositifs IoT à des fins industrielles et commerciales, comme les dispositifs de gestion des stocks ou les dispositifs corporels pour la surveillance de santé, peuvent exiger des communications à plus longue portée, comme NB-IoT ou LTE-M. Si un dispositif envoie beaucoup de données, comme une caméra vidéo, le BLE ne peut pas le gérer. Des options haute puissance tels que Wi-Fi et LTE sont nécessaires.

D'autre part, les protocoles sans fil cellulaires NB-IoT et LTE-M permettent aux dispositifs IoT de transmettre des données à des emplacements distants avec une plus basse consommation. Il en va de même pour SigFox qui peut transmettre des données jusqu'à 50 kilomètres. Mais contrairement aux normes cellulaires haut débit, SigFox ne peut transmettre que jusqu'à 300 bits de données par seconde.

Réseau privé contre réseau public

Dans un réseau privé, une passerelle est installée et contrôlée par un fournisseur pour un utilisateur ou un nombre limité d'utilisateurs. Un réseau public dispose d'une passerelle que de nombreux utilisateurs peuvent utiliser en payant des frais mensuels. Le service cellulaire en est un exemple.

Les réseaux publics requièrent l'installation d'infrastructures telles que des antennes-relais de téléphonie mobile. Les téléphones portables sont populaires et sont itinérants grâce à l'installation généralisée d'antennes-relais de téléphonie mobile. SigFox et LoRa disposent d'une infrastructure limitée aux États-Unis, de sorte qu'un dispositif utilisant cette technologie risque de ne pas fonctionner dans de nombreux endroits. LoRa offre l'option d'un réseau privé en utilisant une passerelle.

En 2019, l'installation de l'infrastructure pour NB-IoT et LTE-M a dépassé le point où 90 % de la population américaine est couverte, approchant la disponibilité de la couverture cellulaire. Bien qu'elle existe depuis des années, cette technologie peut enfin être utilisée dans de nouveaux dispositifs. L'infrastructure est également en place dans la plupart des grands pays du monde. On s'attend à une augmentation rapide de l'utilisation de NB-IoT et LTE-M. Sigfox et LoRa sont très en retard dans l'installation des infrastructures publiques.

Vous trouverez ci-dessous un résumé des options de réseaux sans fil privés et publics :

Privé

• Les deux extrémités de la communication sont privées
• Installation possible pratiquement partout
• Spectre sans licence
• Coût d'installation des stations de base et des points d'extrémité
• Pas de frais mensuels

Public

• Réseau appartenant au fournisseur – par exemple, réseau cellulaire
• Fonctionnement uniquement possible là où il existe des stations de base
• Itinérance simple
• Spectre sous licence
• Frais mensuels pour l'utilisation du réseau

Quand la technologie des batteries s'améliorera-t-elle ?

Si les batteries étaient plus efficaces, ces compromis seraient plus simples. Le stockage chimique de l'énergie approche de la limite de ses capacités. Toutefois, de nombreuses recherches sont menées pour une plus haute densité et une meilleure sécurité.

Si les batteries avaient progressé comme les semi-conducteurs au cours des 50 dernières années, vous auriez une batterie de la taille de la tête d'une épingle qui coûterait un centime et qui alimenterait votre voiture. Inutile de dire que cette technologie n'en est pas du tout proche et ne le sera jamais. Les dispositifs sont donc limités par l'espace requis pour le stockage chimique de l'énergie.

Les batteries actuelles représentent environ 10 % du nec plus ultra en matière de stockage d'énergie chimique, soit quelque chose comme l'essence. Cependant, l'essence pose un problème de sécurité. Une autre option plus efficace est l'énergie nucléaire, mais là encore, il y a un problème de sécurité, sans parler d'un problème de portabilité. Les batteries connaîtront des améliorations progressives dans le futur, mais les changements seront lents.

Considérations de coûts

De nombreux fabricants de dispositifs IoT sous-investissent dans la sécurité pour maintenir leurs produits à un prix abordable et accélérer leur mise sur le marché. L'intégration de la sécurité au cours de la phase de développement peut accroître considérablement les coûts et le temps de développement. Cependant, la construction de dispositifs IoT avec une faible sécurité IoT peut avoir des conséquences dommageables non seulement pour les clients, mais également pour la marque du fabricant — en termes de perte de productivité, d'amendes légales/de conformité, de réputation ternie et de pertes financières.

La norme sans fil choisie pour les dispositifs IoT peut avoir un impact considérable sur leurs performances, leur facilité d'utilisation, leur sécurité et leur fiabilité. La norme la mieux adaptée pour un dispositif IoT dépend de son application. Connaître l'utilisation prévue du dispositif peut aider à déterminer les exigences clés pour sa construction, comme la quantité d'énergie dont il a besoin pour fonctionner efficacement, la vitesse à laquelle il doit transmettre les données et la durée de vie de la batterie.

L'équipe d'experts en développement de dispositifs IoT de Voler Systems peut guider un concepteur lors du choix de la norme sans fil appropriée pour des machines IoT. Contactez un expert IoT sans attendre pour en savoir plus sur le choix de la norme sans fil adaptée à la conception d'un dispositif IoT.