L'importance de bien choisir la solution de connectivité pour assurer l'efficacité d'un dispositif IoT

Le monde qui nous entoure se transforme à toute vitesse grâce à l'Internet des objets (IoT). Les dispositifs connectés communiquant entre eux sont désormais bien plus nombreux que les personnes sur la planète, et cette tendance devrait fortement s'accentuer avec l'essor de nouveaux dispositifs et de nouvelles applications.

Pour être considérés comme « connectés », tous les dispositifs doivent par définition pouvoir communiquer, et les progrès réalisés en matière de protocoles de communication et de matériel associé constituent des facteurs essentiels à la croissance et au succès de l'IoT. Cependant, compte tenu du grand nombre d'applications ayant des besoins différents et des nombreuses options de protocole disponibles, certains peuvent se sentir découragés à l'idée de se lancer dans le monde de la connectivité IoT.

Dans cet article technique, Murata Europe examine de quelle façon les principales technologies de communication ont évolué pour répondre aux besoins complexes et parfois difficiles de l'IoT, tout en présentant une solution matérielle qui simplifie considérablement la conception.

Si de nombreuses estimations concernant l’ampleur et la taille de l'IoT peuvent être remises en question, il ne fait aucun doute que le nombre de dispositifs connectés dépasse celui de la population mondiale actuellement. Selon Cisco, le point d'inversion se situe en 2004-2005. Depuis lors, la croissance a été soutenue par le nombre exponentiel de smartphones, de dispositifs portables, de villes intelligentes, de maisons intelligentes, d'usines intelligentes et même de voitures connectées.

L'entreprise de recherche de pointe Gartner estime que plus de 11 milliards de dispositifs seront connectés d'ici fin 2018, et le parc aura presque doublé en 2020 pour atteindre 20 milliards de dispositifs. Les revenus correspondants devraient progresser, mais à un rythme moindre, si bien que les prix devraient être contraints. La tendance actuelle consiste donc à réduire la taille des nœuds ajoutés à l'IoT et à les simplifier.

Choix des protocoles de communication IoT

Un certain nombre d’éléments doivent être pris en compte pour choisir le(s) protocole(s) adapté(s) à une application IoT. La portée constitue un facteur essentiel, car de nombreux nœuds IoT sont placés à distance de telle sorte qu'ils puissent recueillir des données. Il est également important de tenir compte de la disponibilité de l'énergie en raison de l'éloignement des nœuds, surtout si la source d'alimentation se limite à une batterie. Il peut être très ennuyeux de devoir remplacer régulièrement une batterie.

Bien que de nombreuses communications liées à l'IoT impliquent des petits paquets de données provenant de capteurs relativement simples, le débit de données peut être important dans certaines applications telles que les systèmes axés sur la vision.

Figure 1 : Il est plus facile de choisir un protocole de communication pour l'IoT en tenant compte de quelques critères importants.

La taille et l'échelle du réseau doivent également être prises en compte, car certains protocoles acceptent des dizaines, voire des centaines de connexions simultanées, tandis que d'autres fonctionnent généralement mieux avec quelques-unes uniquement.

Plusieurs protocoles potentiels seront retenus ou écartés selon qu'il faille ou non prendre en charge l'IP natif. En outre, la popularité d'un protocole précis garantit au concepteur la disponibilité de suffisamment d'options matérielles et micrologicielles, ainsi que d'une assistance technique facilement accessible pendant le cycle de développement.

Dans le secteur des communications à courte portée, le Bluetooth et le Wi-Fi sont en train de devenir des technologies dominantes. Chacune d'elles présente différentes caractéristiques et avantages en fonction des types d'applications IoT.

Bluetooth

Le Bluetooth est un protocole de communication extrêmement populaire. On le retrouve sur presque tous les smartphones et tablettes utilisés à l'heure actuelle. Dernièrement, le protocole a évolué pour intégrer de nouvelles caractéristiques qui améliorent sa compatibilité avec les applications IoT. Le Bluetooth 4.0 (parfois appelé « Bluetooth Smart ») a développé l'idée de transmettre de petits paquets de données avant d'entrer en mode veille afin de réduire considérablement la consommation énergétique totale. Les applications IoT en tirent particulièrement avantage, car les données provenant de capteurs lents ne nécessitent généralement pas de flux constant.

Lorsque deux dispositifs Bluetooth Low Energy (BLE) sont appariés, la connexion est maintenue, mais elle est mise en veille. La consommation d'énergie est ainsi réduite, sans pour autant avoir besoin de mettre le matériel hors tension contrairement aux versions Bluetooth précédentes. Le BLE a également apporté un certain nombre de mises à jour liées à la sécurité, notamment la sécurisation de l'appariement, la protection contre les attaques de l'intercepteur, le chiffrement AES-128 et une série de profils standards permettant de développer rapidement des applications.

D'autres innovations incrémentielles ont permis à la version 4.1 de mieux gérer l'alimentation des dispositifs. La version 4.2 a ensuite amélioré la connectivité et augmenté la capacité des paquets d'un facteur 10, et le débit de données d'un facteur 2,5.

La dernière version (Bluetooth 5.0) a été lancée en 2016. Elle a constitué une étape importante dans l'offre de fonctionnalités et de performances liées à l'IoT. Par rapport à la version 4.2, le Bluetooth 5.0 a doublé la bande passante pour atteindre 2 Mbit/s (bien que la surcharge des paquets la limite à 1,6 Mbit/s), et quadruplé la portée pour atteindre une valeur théorique de 300 mètres. Dans cette version, la portée peut être échangée contre du débit de données et il est possible d'atteindre 200 mètres de façon réaliste en extérieur dans des applications en visibilité directe.

L'option Scatternet (lancée en 2013) apporte plus de flexibilité, car il est possible de configurer les nœuds en maître ou en esclave. La couverture potentielle est considérablement accrue par la possibilité de configurer un réseau maillé avec des nœuds intermédiaires servant de points de transit pour les paquets de données.

Wi-Fi

Lorsqu'il est nécessaire de disposer de débits de données plus élevés sur une distance de plusieurs dizaines de mètres, le Wi-Fi est l'un des choix les plus populaires. Compte tenu du nombre élevé de dispositifs intégrant le Wi-Fi, les émetteurs-récepteurs sont librement disponibles et les coûts sont en baisse. Les routeurs ordinaires, par exemple ceux utilisés à la maison et au bureau, peuvent servir de passerelle vers Internet sans avoir besoin de matériel spécialisé ou breveté.

Le Wi-Fi utilisait initialement la bande des 2,4 GHz, mais celle-ci s'est récemment trouvée saturée, car ces fréquences sont également utilisées par d'autres protocoles (Bluetooth, Zigbee, etc.). La mise en place d'une seconde bande à 5 GHz donne accès à une partie moins encombrée du spectre pour gagner en fiabilité de connexion lorsque des transferts continus de données à grande vitesse sont nécessaires.

En raison du développement rapide et de la grande variété des cas d'utilisation, de nombreuses versions de Wi-Fi sont disponibles en même temps. Bien que des versions antérieures du Wi-Fi puissent convenir à de nombreuses applications IoT, y compris celles qui nécessitent un débit de données relativement élevé, les concepteurs préfèrent généralement utiliser l'un des protocoles les plus récents, comme le 802.11 ac. Le fait de repasser à un protocole plus lent et plus ancien peut ralentir l'ensemble du réseau une fois que le dispositif IoT est activé. Des débits de données d'au moins 1 Gbit/s sont possibles sur la bande 5 GHz en utilisant plusieurs antennes, et n'importe quel routeur compatible pourra conserver des débits de données élevés avec un nœud IoT du protocole 802.11 ac.

Multiprotocole

Comme il est peu coûteux d'ajouter la fonctionnalité Bluetooth à un appareil Wi-Fi, il est assez courant de nos jours que les dispositifs IoT prennent en charge les deux protocoles. Cela permet non seulement de gagner en souplesse d'utilisation, mais aussi de simplifier l'installation et la configuration.

Par exemple, un dispositif compatible Bluetooth, tel qu'un smartphone ou une tablette disposant d'une application appropriée, peut se connecter au nœud et se configurer en évitant la complexité du Wi-Fi. Une fois la configuration terminée, le nœud IoT se relance et se connecte au réseau Wi–Fi afin de fonctionner normalement.

Une solution modulaire pour le Wi-Fi et le Bluetooth

Le module 1DX de Murata est un module très compact qui intègre le Wi-Fi (WLAN 2,4 GHz) et le Bluetooth. Basé sur un Cypress CYW4343W, le module intègre un circuit frontal radiofréquence très efficace qui assure un fonctionnement à faible puissance. Il convient parfaitement aux applications IoT.

La conception modulaire blindée ne mesure que 6,95 mm x 5,15 mm x 1,1 mm et offre une solution extrêmement compacte et légère en raison de l'absence de composants externes. En fait, il suffit aux concepteurs d'ajouter une antenne, une source d'alimentation, un processeur et une logique d'interface pour réaliser une radio multiprotocole.

Figure 2 : module 1DX avec Wi-Fi et Bluetooth de Murata

Un modèle de référence pour l'antenne est fourni. Les concepteurs économisent ainsi du temps et de l'argent, car ils peuvent déclarer qu'ils respectent les exigences de la FCC/IC, de JAPAN Telec et de la directive européenne RED en s’appuyant sur les homologations en cours.

Les délais de mise sur le marché sont réduits. Linux et Android sont pris en charge et il est possible d'utiliser le kit de développement logiciel WICED de Cypress pour développer et déboguer le dispositif.

Récapitulatif

Si la sélection et le développement des communications radio pour les applications IoT peuvent sembler décourageants à première vue en raison du nombre de protocoles disponibles, le processus de décision est nettement facilité si l'on tient compte d'un certain nombre de critères simples.

Les solutions modulaires telles que le 1DX de Murata facilitent la conception en intégrant une grande partie des fonctionnalités dans un petit module de faible puissance nécessitant peu de composants externes pour construire un modèle.

La flexibilité logicielle, la facilité d'accès aux outils de développement informatique, les modèles de référence pour l'antenne et les homologations préalables aux principales normes internationales permettent aux concepteurs qui choisissent cette approche de réduire considérablement les coûts de conception et les délais de mise sur le marché.