L'IoT simplifié grâce à des solutions sans fil hautement intégrées

La connectivité sans fil est omniprésente ; cette technologie invisible a transformé l'infrastructure des réseaux et intègre désormais l'IoT. La communication de données sans fil existe sous de nombreux aspects différents. Dans sa forme la plus simple, elle peut désigner une connexion entre deux dispositifs qui communiquent à courte portée et ne nécessitent aucun type de protocole. Évidemment, les applications nécessitent une solution de plus en plus sophistiquée qui prend en charge une certaine forme de mise en réseau entre plusieurs dispositifs. Le contexte est alors très différent, puisqu'il est géré par des normes.

La prolifération des communications sans fil est due en grande partie à l'ouverture du spectre RF. La grande majorité des protocoles propriétaires et basés sur des normes s'exécutent dans la partie du spectre sans licence qui, même si elle est ouverte à tout le monde, implique toujours des restrictions strictes en matière de puissance de fonctionnement. De ce fait, il est plus facile de mettre en œuvre une connexion sans fil à l'aide d'une technologie conforme aux normes du secteur, ou d'une technologie propriétaire déjà approuvée par les organes directeurs compétents.

De plus en plus souvent, c'est la capacité de créer des réseaux de dispositifs qui propulse la popularité des normes du secteur. Cependant, de manière générale, les différentes technologies disponibles peuvent être catégorisées selon la portée et la bande passante. Ces dernières influencent toutes deux la puissance de fonctionnement, une exigence technique de plus en plus importante.

Choisir un protocole

Il existe de nombreux protocoles utilisés dans les bandes de fréquences sans licence ISM (industriel, scientifique et médical) et d'appareils à courte portée, tant en Sub-1 GHz qu'en 2,4 GHz. Certains des protocoles basés sur des normes, comme Zigbee, s'exécutent dans les deux bandes, mais pour des raisons historiques, les protocoles propriétaires sont plus susceptibles de fonctionner dans la bande Sub-1 GHz. Les fournisseurs de semiconducteurs, tels que Texas Instruments, offrent une large gamme de solutions de connectivité sans fil, des transducteurs aux microcontrôleurs sans fil entièrement intégrés. La plate-forme de microcontrôleurs SimpleLink prend désormais en charge plus de dix protocoles filaires et sans fil, offrant ainsi une solution adaptée à chaque utilisation. Par exemple, la gamme CC13xx de microcontrôleurs sans fil comprend le dispositif CC1310 qui intègre un cœur ARM Cortex-M3 et un contrôleur de capteur avec la radio Sub-1 GHz, capable d'une portée de 20 km, même s'il est alimenté par une pile bouton. Ce dispositif est idéal pour diverses applications, notamment les systèmes d'alarme sans fil, où le protocole utilisé est soit propriétaire, soit basé sur la pile TI 15.4, un protocole réseau en étoile basé sur des normes et lancé par TI. Il fait partie d'une famille de microcontrôleurs et d'émetteurs-récepteurs sans fil proposés par Texas Instruments.

La plate-forme de microcontrôleurs SimpleLink comprend des dispositifs basés sur le modèle MSP430 à cœur 16 bits propre à TI. Celui-ci est conçu pour fonctionner comme un hôte afin de mettre en réseau les processeurs et les microcontrôleurs sans fil qui intègrent un ou plusieurs émetteurs-récepteurs RF, ainsi qu'une offre de base avec connectivité Wi-Fi, Bluetooth et Sub-1 GHz dans une solution monopuce.

La connectivité Wi-Fi et Bluetooth fait partie de l'offre de base de la plate-forme de microcontrôleurs SimpleLink

Figure 1 : la connectivité Wi-Fi et Bluetooth fait partie de l'offre de base de la plate-forme de microcontrôleurs SimpleLink

Une technologie adaptée à la zone

Bien que le concept de portée, qui désigne la distance maximale entre deux dispositifs pouvant supporter une connexion sans fil fiable, existe encore, l'arrivée du réseau maillé a rendu sa pertinence quelque peu discutable. Un réseau de nombreux dispositifs connectés utilisant une norme sans fil à courte portée peut, en théorie, couvrir une zone bien plus grande que celle d'une connexion point-à-point. La dernière version du Bluetooth, le Bluetooth 5, prend désormais en charge le réseau maillé et peut donc en principe créer un réseau unique de dispositifs avec une porte illimitée. Toutefois, le Bluetooth s'appuie sur le Personal Area Networking (PAN), des communications à courte portée entre de petits dispositifs qui nécessitent une bande passante relativement faible.

Historiquement, la portée servait à définir le type de réseau requis pour un ensemble de technologies, comme le réseau corporel Body Area Networking (BAN), le réseau personnel Personal Area Networking (PAN) et le réseau étendu Wide Area Networking (WAN). Avec un soutien accru du réseau maillé dans de nombreuses normes, ces termes sont sans doute moins pertinents et, avec l'introduction de solutions intégrées qui requièrent moins de ressources système, il existe un lien important entre les zones d'application traitées dans le passé.

S'il n'existe pas de « mauvais » choix lors de la sélection d'une technologie sans fil, il existe toutefois d'excellentes raisons de choisir une norme particulière pour une zone d'application spécifique. La portée peut être un critère moins essentiel, mais la bande passante reste une considération majeure, notamment parce que le volume des données envoyées et reçues influe directement sur la puissance requise et le niveau de complexité. Heureusement, il existe un nombre croissant de solutions hautement intégrées qui traitent avec succès ces deux critères techniques.

L'IoT implique de nombreux dispositifs avec de faibles exigences en matière de bande passante, tels que les capteurs intelligents, les appareils électroménagers et systèmes de divertissement, les instruments de contrôle et de surveillance industriels, ainsi que les applications émergentes à la maison, au bureau ou dans la voiture. Ici, Zigbee et ses variantes (y compris Light Link et RF4CE) offrent un bon ensemble de fonctions de réseau, de besoins en énergie et de sécurité, à un débit de données de l'ordre de 250 kbit/s. Pour les applications qui exigent une bande passante plus élevée, le Bluetooth devient plus pertinent, car il fournit jusqu'à 5 Mbit/s. Si les exigences de bande passante et la complexité du réseau grandissent encore, le Wi-Fi entre en jeu et prend en charge la connexion directe à Internet avec des bandes passantes pouvant atteindre 100 Mbit/s.

La fréquence de fonctionnement est également un élément à prendre en compte. Pour cela, le choix se base sur une combinaison de la portée, de la bande passante et de la puissance de fonctionnement. De nombreuses normes sont capables de fonctionner à la fois avec le protocole Sub-1 GHz et avec celui, plus courant mais plus saturé, de 2,4 GHz. Une solution Sub-1 GHz offre souvent une plus grande portée, au détriment de la bande passante. La cohabitation et la résistance à un spectre encombré peuvent également constituer des éléments à prendre en compte, certaines normes offrant dans ces domaines des avantages plus importants que d'autres. Les solutions de la plate-forme de microcontrôleurs SimpleLink satisfont tous ces cas d'utilisation, y compris les dispositifs double bande comme le CC1350, qui intègre des émetteurs-récepteurs RF pour Sub-1 GHz et les connexions Bluetooth à partir d'un dispositif unique (voir ci-dessous pour plus d'informations concernant cette famille de dispositifs).

La connectivité Wi-Fi et Bluetooth fait partie de l'offre de base de la plate-forme de microcontrôleurs SimpleLink

Figure 2 : un réseau de nombreux dispositifs connectés (par exemple dans une ville intelligente) utilisant une norme sans fil à courte portée peut, en théorie, couvrir une zone bien plus grande que celle d'une connexion point-à-point

Applications typiques et solutions

Le type de technologie sans fil à utiliser dépend souvent de l'utilisation que vous en faites. Par exemple, un système qui comprend un certain nombre de capteurs répartis autour d'un bâtiment, dont chacun communique directement avec un contrôleur central (ou passerelle), peut s'avérer plus efficace s'il est doté d'une technologie Sub-1 GHz basée sur un réseau en étoile. Avec la portée Sub-1 GHz, les transmissions sont moins susceptibles d'être atténuées par des obstacles tels que les murs, tandis qu'un réseau en étoile évite la surcharge de traitement associée à un réseau maillé et prolonge donc la durée de vie de la batterie des capteurs.

Avec une solution intégrée adaptée, la faible consommation d'une application Sub-1 GHZ de ce type permettrait à un capteur intelligent de fonctionner pendant 20 ans via une seule pile bouton. Par exemple, leCC1310F32RGZT, qui fait partie de la plate-forme SimpleLink, comprend trois cœurs de traitement : un cœur ARM Cortex-M3 pour le code d'application, un cœur ARM Cortex-M0 dédié au protocole radio utilisé et un cœur 16 bits ultra-basse consommation qui fonctionne comme un contrôleur de capteur autonome.

Au fur et à mesure que l'IoT se développe, il devient évident qu'une plate-forme matérielle aussi efficace que la gamme SimpleLink peut être étendue afin de répondre à davantage d'applications. Pour ce faire, Texas Instruments a élaboré une sous-gamme de dispositifs SimpleLink qui prend en charge plusieurs normes et interfaces sans fil fonctionnant simultanément. LeCC1350F128RGZTs'appuie sur les caractéristiques du dispositif CC1310 pour prendre en charge à la fois les interfaces et protocoles radio Sub-1 GHz et 2,4 GHz. Ainsi, il peut être utilisé dans un réseau en étoile Sub-1 GHz avec une consommation d'énergie extrêmement faible et peut recevoir des mises à jour OTA à l'aide d'une connexion Bluetooth à un smartphone ou à une passerelle domestique, par exemple.

Se connecter au monde

Évidemment, la mise en place d'une application intégrée à l'IoT implique en grande partie une connexion à Internet. Pour la plupart des applications, le Wi-Fi constitue le protocole sans fil le plus efficace. Une connexion Wi-Fi fournit un accès global aux fonctionnalités et aux données d'une application. Toutefois, le protocole s'en trouve donc plus complexe et est par conséquent plus difficile à mettre en place que des protocoles destinés par exemple à des réseaux privés.

Comme la valeur des données recueillies par les réseaux de capteurs sans fil distribués (WSN) augmente, les fabricants cherchent des méthodes à la fois fiables et simples pour créer des WSN et commencer à recueillir ces données. Dans cette zone d'application, la connectivité sans fil Sub-1 GHz peut exceller en matière de portée et de puissance. Afin de contribuer à l'élaboration de ce type même d'application, TI a mis au point le design de référence TIDEP0084. Celui-ci offre une pile TI de réseau en étoile basé sur la norme IEEE 802.15.4 pré-intégrée dans les kits de développement logiciel SimpleLink CC13x0 et Linux de TI qui ciblent les processeurs Sitara.

Le dispositif CC3120, qui fait partie de la gamme Wi-Fi SimpleLink de Texas Instruments, a été conçu pour faciliter l'intégration du Wi-Fi à une application. Ce processeur réseau autonome comprend un serveur Web totalement intégré et la pile TCP/IP requise pour se connecter à Internet. Ce niveau d'intégration allège la plupart de la charge de traitement d'un processeur hôte, qui peut alors prendre la forme d'un microcontrôleur relativement simple. Par ailleurs, le CC3220 fournit une intégration encore supérieure grâce à un cœur ARM Cortex-M4 dédié à l'exécution du code d'application. Ainsi, un dispositif compatible avec Internet peut être entièrement mis au point avec une solution monopuce. Texas Instruments prend également en considération les préoccupations en matière de sécurité perçues dans l'environnement de l'IoT en expansion. Cette dernière génération de microcontrôleurs sans fil offre des fonctionnalités de sécurité multiniveau qui permettent aux développeurs de protéger leurs produits contre une prise de contrôle hostile, ainsi que contre le vol d'IP et de données.

Suite à la dernière révision de la spécification, le Bluetooth 5 supporte désormais le réseau maillé ainsi qu'un débit supérieur pouvant atteindre 5 Mbit/s. Avec cette même capacité de faible consommation, il est aujourd'hui possible d'utiliser le Bluetooth pour une plus large gamme d'applications qui nécessitent une connexion Internet plus directe, avec l'avantage d'une plus grande portée grâce à l'exploitation du réseau maillé. L'un des premiers éléments prenant en charge le Bluetooth 5 est le microcontrôleur sans filCC2640R2FRGZTde TI. Il fait partie des microcontrôleurs sans fil basse consommation Bluetooth SimpleLink CC2540 avec prise en charge de la technologie USB. Le tableau 1 détaille tous les microcontrôleurs sans fil de TI qui prennent en charge les technologies Sub-1 GHz, 2,4 GHz propriétaire, Bluetooth, ZigBee, 6LowPAN et Wi-Fi.

La connexion à Internet est possible grâce au protocole Internet, ou IP. L'une des dernières normes sans fil qui fournit la fonctionnalité IP est 6LowPAN, comme définie par le groupe IETF (Internet Engineering Task Force). Prenant entièrement en charge l'IPv6 sur tous les nœuds d'un réseau, cette technologie sans fil est peut-être la plus évolutive de toutes, puisqu'elle peut fonctionner sur les bandes de fréquences Sub-1 GHz ou 2,4 GHz et sur plusieurs couches physiques. La couche physique IEEE 802.15.4 (utilisée par ZigBee) est souvent utilisée pour mettre en place le protocole 6LowPAN. La plupart des dispositifs SimpleLink de Texas Instruments prennent en charge les interfaces physiques IEEE 802.15.4 et peuvent donc être utilisés pour mettre en place les réseaux ZigBee et 6LowPAN.

L'IoT sera dominé par les technologies sans fil à faible consommation. En plus des solutions déjà mentionnées, les ingénieurs prévoient une disponibilité à grande échelle de solutions ciblant l'un des derniers protocoles dans cet espace d'application passionnant et en rapide évolution : Thread. Contrairement à la plupart des autres technologies sans fil, Thread a été mis au point avec un seul objectif : permettre de connecter et contrôler les dispositifs dans la maison. Cette technologie de réseau maillé a également été conçue afin de favoriser l'interopérabilité, à l'aide de normes ouvertes basées sur le protocole 6LowPAN. Elle nécessite essentiellement une « mise à niveau » logicielle vers une plate-forme 802.15.4 existante. Pour une meilleure prise en charge de Thread, TI lancera en 2018 son propre kit de développement logiciel Thread, qui ciblera d'abord un nouveau microcontrôleur sans fil : le CC26x2. Pour obtenir un aperçu, consultez le site www.ti.com/tool/simplelink-cc26x2-sdk. Le kit de développement logiciel inclut la prise en charge du protocole de réseau Thread 1.1, qui se base sur une version libre de la pile, appelée Openthread.

L'IoT sera dominé par les technologies sans fil à faible consommation. En plus des solutions déjà mentionnées, les ingénieurs prévoient une disponibilité à grande échelle de solutions ciblant l'un des derniers protocoles dans cet espace d'application passionnant et en rapide évolution : Thread. Contrairement à la plupart des autres technologies sans fil, Thread a été mis au point avec un seul objectif : permettre de connecter et contrôler les dispositifs dans la maison. Cette technologie de réseau maillé a également été conçue afin de favoriser l'interopérabilité, à l'aide de normes ouvertes basées sur le protocole 6LowPAN. Elle nécessite essentiellement une « mise à niveau » logicielle vers une plate-forme 802.15.4 existante. Pour une meilleure prise en charge de Thread, TI lancera en 2018 son propre kit de développement logiciel Thread, qui ciblera d'abord un nouveau microcontrôleur sans fil : le CC26x2. Pour obtenir un aperçu, consultez le site www.ti.com/tool/simplelink-cc26x2-sdk. Le kit de développement logiciel inclut la prise en charge du protocole de réseau Thread 1.1, qui se base sur une version libre de la pile, appelée Openthread.

Conclusion

Il n'a jamais été si simple de tirer parti des capacités de connectivité sans fil, grâce à des solutions monopuce hautement intégrées et à la disponibilité de logiciels libres de droits (y compris les piles de protocole). La gamme de dispositifs disponibles qui prennent en charge tous les principaux protocoles sans fil normalisés accélère désormais sensiblement le développement des applications IoT.

Comparaison des solutions sans fil

Tableau 1 : comparaison des solutions sans fil

L'IoT simplifié grâce à des solutions sans fil hautement intégrées. Publié le 15 février 2018 par Farnell