- Une application IoT (Internet of Things pour Internet des objets) peut être déployée sur grande variété d’appareils ou d’équipements de différentes dimensions et dédiés à des tâches spécifiques.
- Ces appareils peuvent être destinés à un usage grand-public (domotique, électroménager, sportif), professionnel (médical, environnement, services) ou industriel (maintenance, production, logistique).
- Si chaque application IoT répond à des besoins spécifiques, toutes consistent cependant à collecter les données provenant d’un appareil connecté à Internet et à les traiter avec des logiciels dédiés afin de fournir à l’utilisateur un service spécifique.
- Les applications IoT permettent également de surveiller, configurer et piloter un appareil à distance.
- ByteSnap présente neuf critères à prendre en compte lors de la conception d’un système radio destiné à un appareil IoT. Le choix final d’un système radio adapté à un projet IoT fera néanmoins toujours l’objet de compromis entre plusieurs facteurs concurrents.
La connectivité est le point commun à tous les appareils IoT puisqu’ils doivent communiquer dans une certaine mesure avec d’autres produits. Si certains mettent en œuvre des connexions câblées, comme Ethernet, la plupart exploite des protocoles de communication sans fil et nécessitent donc l’utilisation d’un système radio.
Le choix du système radio approprié est un processus déterminant. La capacité du produit final à recevoir et à transmettre des données en dépend.
Voici neuf facteurs à prendre en compte lors du choix d’un système radio pour la conception d’un appareil IoT qu’il soit compact ou de grandes dimensions.
- Durée de vie de la batterie
- Portée
- Dimensions
- Coût unitaire
- Réglementation
- Coût du développement
- Débit de transmission des données
- Interopérabilité
- Topologie du réseau de communication sans fil
Durée de vie de la batterie
Bien que tous les appareils IoT ne soient pas forcément des dispositifs de communication sans fil, la plupart le sont et dépendent également d’une batterie ou d’une source d’énergie pour leur alimentation. En outre, leurs utilisateurs souhaitent ne pas devoir remplacer la batterie fréquemment afin de leur faciliter la vie et de réduire les coûts d’exploitation.
Les appareils IoT transmettent régulièrement des données. Cependant, il ne s’agit généralement pas d’importantes quantités de données et cette transmission est souvent peu fréquente.
Le système radio a un impact sur la batterie principalement par l’intermédiaire de la puissance du récepteur. Cela peut sembler contre-intuitif, car l’émetteur consomme plus d’énergie lorsqu’il est actif. Mais comme l’émetteur n’est actif que lorsqu’il transmet des données, cela ne représente pas beaucoup de temps de fonctionnement. Le récepteur, quant à lui, peut être actif pendant de longues périodes lorsqu’il attend des informations.
Par conséquent, pour minimiser la consommation d’énergie, le récepteur doit être moins actif. Certains systèmes radio en tiennent compte et sont conçus pour que les récepteurs ne s’activent qu’à des intervalles programmés et s’imbriquent dans le réseau pour coordonner l’activité.
Malheureusement, seules quelques options disposent de ce type de technologie. Elles sont généralement plus onéreuses. Pour optimiser la consommation d’énergie de l’appareil IoT, il faut donc veiller à ce que le récepteur s’allume seulement à intervalles sporadiques.
Cela ne signifie pas que la puissance d’émission n’a pas d’incidence sur la durée de vie de la batterie. Cependant, la consommation d’énergie d’un émetteur dépend largement de la puissance de sortie, qui est elle-même déterminée par la portée de transmission requise pour l’appareil.
Pour un appareil soumis à de strictes contraintes d’énergie, nous recommandons Bluetooth Low Energy si la portée est une moindre priorité. Zigbee en mode Endpoint est également très efficace. Pour mettre cela en contexte, un capteur Zigbee alimenté par une batterie que nous avons conçu aurait une durée de vie de deux semaines avec le récepteur toujours allumé, par rapport à dix-huit mois pour un appareil qui active le récepteur toutes les trente secondes pour « vérification ».
Les technologies cellulaires (GSM) et le Wi-Fi consomment généralement une grande quantité d’énergie et sont utilisées soit par des systèmes alimentés par le secteur, soit par de relativement importantes batteries ou des batteries rechargeables. Cela dit, certaines technologies Wi-Fi récentes sont capables de se déconnecter du réseau et de se reconnecter rapidement afin de réduire la durée d’activité du système radio.
Portée
La portée dépend essentiellement du budget de la liaison radio. Le bilan de liaison est la combinaison de la puissance d’émission et de la sensibilité du récepteur. Celles-ci sont exprimées sur les fiches techniques et sont mesurées en décibels. Une équation simple du bilan de liaison peut se présenter comme suit :
- Puissance reçue = Puissance transmise + Gains – Pertes
Les décibels sont une valeur logarithmique. Par conséquent, cette équation est en fait une multiplication et une division des rapports respectifs.
Les exemples de gains comprennent l’amplification des répéteurs, tandis que les pertes prennent en compte tout affaiblissement du signal dû à la propagation et à la présence d’obstacles dans l’environnement d’utilisation.
Il est très difficile de prévoir la portée d’un appareil IoT dès le début d’un projet, car elle est fortement influencée par l’environnement et l’espace d’utilisation.
Pour illustrer l’ampleur de cet impact, un système radio testé dans un immeuble de bureaux peut avoir une portée d’environ 10 mètres, alors que le même système peut émettre sur plus d’un kilomètre dans un espace vide et ouvert.
La technologie LoRa (Long Range Radio), un concurrent très sérieux pour les solutions à longue distance et à faible puissance, a permis la transmission de signaux sur des centaines de kilomètres jusqu’à des ballons météorologiques. Dans un environnement bâti, cette portée peut être très rapidement réduite à quelques kilomètres.
Cet effet est illustré par la carte thermique ci-contre. La distance entre le bureau (Centre d’innovation) et l’arrière du grand bâtiment de l’université est à peu près la même, mais le signal varie considérablement, allant d’une perte de signal modérée à une zone totalement morte.
La sensibilité du récepteur et la puissance d’émission doivent donc être prises en compte, une valeur plus élevée étant préférable. Le réglage des antennes peut également avoir un impact significatif sur la portée de l’appareil IoT.
Contraintes dimensionnelles
Les contraintes dimensionnelles sont extrêmement courantes en matière de conception d’appareil IoT. Par conséquent, il existe un large choix de minuscules modules radios, en particulier pour Bluetooth.
Cependant, la mauvaise nouvelle est qu’en pratique, l’efficacité du système radio dépend de l’antenne, et que la taille recommandée de l’antenne n’a pas diminué au même rythme que celle des puces électroniques. Lorsque l’on consulte les fiches techniques des puces radio, on s’aperçoit que la taille du circuit imprimé suggéré est souvent sans rapport avec la taille de la puce réelle en raison de la présence de l’antenne.
La taille de l’antenne a un impact très important sur la portée. Par conséquent, la capacité d’un appareil IoT à respecter les contraintes de taille est étroitement liée à l’exigence de portée. Une montre intelligente n’a besoin de communiquer qu’à une distance maximale de 5 mètres, généralement inférieure à 1 mètre avec un téléphone se trouvant dans la poche de l’utilisateur.
Il serait pratiquement impossible d’obtenir une portée élevée pour un minuscule appareil IoT, simplement parce qu’une petite antenne ne peut pas transmettre un signal de forte puissance sur une distance importante.
Coût unitaire des modules radios
Pour répondre aux exigences du marché, les fabricants ont réduit significativement les dimensions de leurs modules radios. De la même façon, la prévalence des systèmes radio sur le marché a conduit à une concurrence massive entre les fabricants de puces électroniques et à une baisse subséquente des prix.
Les puces Bluetooth à faible consommation d’énergie produites en grandes quantités peuvent être vendues autour de 1 dollar l’unité. Ce qui signifie qu’il est possible de maintenir le coût unitaire d’un appareil IoT à un niveau bas sans devoir déployer des efforts considérables.
Le coût unitaire du système radio dépend de trois éléments :
- Le silicium – dans ce cas, nous supposons que le système radio repose sur un circuit intégré comprenant le module radio lui-même, par opposition aux composants discrets. La plupart des circuits intégrés de système radio à faible consommation coûtent moins de 5 dollars en volume.
- Le circuit électronique est, lui aussi, très peu coûteux, car la plupart des circuits intégrés de système radio à faible consommation ne nécessitent que des composants passifs peu coûteux pour compléter la conception.
- L’antenne, qui est l’aspect le plus variable de l’unité, s’avère être un composant très problématique !
L’option la moins coûteuse est une antenne PCB, très utilisée pour les applications Bluetooth pour lesquelles la portée n’est pas une priorité. Les antennes filaires peuvent offrir une portée satisfaisante, mais elles se désaccordent facilement et leurs performances varient en fonction de l’assemblage.
Enfin, les antennes à puce et les antennes externes offrent les meilleures performances – et, surtout, des performances reproductibles. Mais elles coûtent plus cher.
Réglementations à respecter
Il est essentiel, dès le début du projet de développement, de déterminer les marchés cibles et les pays spécifiques dans lesquels l’appareil IoT doit fonctionner. Au-delà de la conformité, les restrictions régionales limitent le choix des radiofréquences.
Certaines bandes – comme la bande des 2,4 GHz, utilisée notamment par Bluetooth, Wi-Fi et Zigbee – sont mondiales. Cela réduit l’importance de ce facteur. Toutefois, ces bandes de fréquences sont extrêmement encombrées. Ce qui mérite d’être pris en compte. La plupart des autres bandes radio sont spécifiques à une région du monde comme par exemple l’Union Européenne ou les États-Unis.
Une fois que les pays cibles ont été identifiés, il faut déterminer les bandes de fréquences attribuées à chaque région du monde. Il existe souvent des bandes équivalentes d’une région à l’autre – par exemple, en Europe, les appareils fonctionnant sur la bande 868 MHz devraient fonctionner sur la bande 915 MHz dans les Amériques.
Le fait d’avoir deux bandes légèrement différentes n’a aucune incidence sur le système radio. Un module capable d’émettre sur la bande de 868 MHz sera presque certainement capable d’émettre sur la bande de 915 MHz. Toutefois, le logiciel devra être adapté et les circuits électroniques devront peut-être être légèrement modifiés pour optimiser les performances. En outre, les antennes devront être réglées différemment pour chaque région du monde.
La réglementation n’a pas seulement une incidence sur la fréquence, elle en a aussi une :
- le rapport cyclique des données que vous pouvez émettre
- le pourcentage d’utilisation que l’appareil IoT peut avoir de la bande radio sur laquelle il opère. Dans la bande des 868 MHz, ce pourcentage est de 1 %.
- la puissance d’émission maximale, qui est de 25 mW dans la bande de 868 MHz.
À la fin du processus de développement, le nouveau produit IoT devra être mis en conformité. Ce qui peut représenter une dépense assez importante. Cela est particulièrement vrai lorsque des modifications doivent être apportées, car il faut alors refaire des essais. Il convient de noter que la plupart des produits nécessitent des modifications et qu’il faut toujours prévoir un budget à cet effet.
Directives radio
En Europe, les appareils IoT relèvent de la directive RED (Radio Equipment Directive). Aux États-Unis, c’est la FCC (Federal Communications Commission) qui définit les règles de conformité.
Il est important de déterminer exactement à l’avance les tests qui seront nécessaires et leur coût. En général, les appareils électroniques doivent être soumis à des tests d’émissions et à des tests radio.
Coûts de développement
Le coût de développement d’un appareil IoT comprend les dépenses liées au personnel, aux services et au matériel, depuis la conception jusqu’au lancement effectif du produit sur le marché en passant par les essais de conformité.
Pour le système radio, un coût de développement minimal est obtenu en utilisant un circuit intégré pour lequel tout le travail de développement a déjà été effectué par son fabricant. Il suffit essentiellement d’y ajouter une antenne accordée pour que le produit soit finalisé. Toutefois, ces modules coûtent beaucoup plus cher qu’une puce électronique et augmentent donc le coût unitaire du produit.
Ce n’est malgré tout pas aussi simple. Les modules présentent une série d’avantages. En plus de réduire la charge de travail en matière de développement matériel et logiciel, nombre d’entre eux sont pré-certifiés. Ce qui réduit le risque de non-conformité aux exigences des standards de communication sans fil.
En particulier, pour les produits qui sont commercialisés dans le monde entier, le processus de mise en conformité ne peut pas être sous-estimé, car les multiples essais nécessaires pour assurer la conformité aux exigences de différentes normes, qui diffèrent légèrement les unes des autres, prennent énormément de temps.
Les fabricants d’ordinateurs portables, qui sont des produits de grand volume et d’envergure mondiale, ont tendance à utiliser des modules radio. Cela prouve que les modules peuvent être rentables même pour des volumes de production élevés, en particulier pour le Wi-Fi, et qu’ils sont pratiquement indispensables pour le GSM.
L’autre aspect important du coût de développement concerne le circuit imprimé (PCB) et la conception du système RF autour de la puce électronique. Historiquement, de nombreuses puces radio nécessitaient des réseaux d’équilibrage minutieux et la mise en œuvre de composants discrets autour de la puce. Ce qui exige des efforts et des tests approfondis afin d’optimiser les performances radio. Les puces électroniques les plus récentes intègrent davantage ces composants. Ce qui réduit – mais n’élimine pas – la nécessité d’optimiser les performances radio.
En règle générale, les modules sont préférables pour les systèmes radios à forte puissance tels que GSM et WiFi, tandis que pour les systèmes radios à faible puissance tels que Bluetooth ou Zigbee, les avantages sont plus marginaux.
Débit de transmission de données
L’exigence en matière de débit de données peut varier considérablement, entre, par exemple, une application vidéo, qui réclame typiquement des capacités de transfert de données très élevées, et un compteur d’eau, qui peut communiquer seulement une dizaine d’octets par jour.
Lors de la conception d’appareils IoT, le débit de transmission de données est mis en balance avec la portée et l’autonomie de la batterie. Il est toujours nécessaire de trouver un compromis.
Ce compromis peut être bien illustré en comparant le Wi-Fi et le Bluetooth. En standard, le Wi-Fi fonctionne à 2,4 GHz et offre un taux de téléchargement moyen de 54 Mbps. Comparez cette valeur à celle de Bluetooth Classic qui, bien que fonctionnant aussi à 2,4 GHz, offre un débit de 1,5 Mbps. Cette différence s’explique facilement si l’on examine la manière dont les technologies sont utilisées dans la pratique.
Arbitrage entre trois paramètres
Bluetooth est conçu pour des applications à faible coût et à faible consommation d’énergie. La puissance a donc été sacrifiée au profit de la largeur de bande. La technologie a été conçue pour les applications exigeant un moindre débit de données que les applications Wi-Fi.
Les protocoles qui offrent un débit de données élevé sont par exemple le Wi-Fi, le GSM cellulaire (le débit de données a régulièrement augmenté de la 2G à la 5G). Les solutions présentant un faible débit telles que LoRa et Sigfox, se distinguent par leur faible consommation d’énergie.
Dans un premier temps, le fait de déterminer quel est le paramètre prioritaire entre l’autonomie de la batterie, la portée et le débit de données, peut permettre d’éliminer de nombreux systèmes de communication sans fil.
Interopérabilité de l’appareil IoT
Un appareil IoT doté d’un système de communication radio peut devoir fonctionner avec les produits d’autres fabricants. S’il s’agit d’une exigence de l’appareil, cela limitera le choix du système radio, car le système utilisé doit pouvoir fonctionner sur la même fréquence et la même bande que les appareils cibles. En outre, l’appareil devra être programmé avec des « profils » qui permettent aux appareils compatibles d’échanger entre eux.
Le meilleur exemple d’utilisation des profils est celui de Bluetooth. Bluetooth dispose de profils standard pour les appareils IoT courants, tels que les claviers et les souris d’ordinateur. Ces équipements fonctionneront donc avec d’autres produits. Zigbee a également plusieurs profils qui permettent aux équipements de fonctionner avec ceux de différents fournisseurs.
L’utilisation de profils et de normes déjà en vigueur présente un autre avantage : la réduction des efforts de développement et de débogage. D’autres entreprises auront déjà investi beaucoup de temps au développement logiciel pour produire ces normes de communication et les intégrer dans des kits de développement.
Cependant, il est assez courant qu’il n’y ait pas d’exigences en matière d’interopérabilité. Ce qui donne aux développeurs une plus grande liberté dans le choix de leur système radio.
Topologie du réseau de communication sans fil
Enfin, bien que le choix de la topologie ne tende pas à restreindre le choix du système radio, certains protocoles sont mieux adaptés à l’une ou à l’autre des deux topologies classiques de réseau : en étoile ou maillé.
# Réseau en étoile
Le réseau en étoile le plus courant est le réseau Wi-Fi domestique : il met en œuvre un routeur central, auquel tous les appareils se connectent et s’interfacent. Les appareils les plus proches du routeur et qui font face à moins d’obstacles à la transmission de signaux radio bénéficient de la meilleure connexion, tandis que dans certaines parties de la maison ou de l’appartement, le signal radio reçu est assez faible.
# Réseau maillé
Un réseau maillé peut également mettre en œuvre un serveur ou un routeur central, mais de nombreux appareils sont également interconnectés. Dans le scénario idéal, tous les appareils peuvent être interconnectés. Zigbee est le système radio le mieux établi qui utilise une topologie en réseau maillé.
Il est important ici d’obtenir un retour d’information sur la manière dont le produit fonctionne réellement dans son environnement cible. Invariablement, cela soulève des problèmes tels que des bogues logiciels, voire des bogues matériels. Tout cela se répercute sur les itérations ultérieures du processus de conception.
La configuration de base est la suivante : les répéteurs sont situés dans des zones à fort signal ou connectés à l’aide de protocoles câblés, tels que l’Ethernet. Les appareils mobiles sans fil relaient ensuite les données vers le répéteur au lieu de les envoyer directement au routeur.
Avantage des topologies en réseau maillé
Dans un réseau maillé, chaque appareil communique et relaie les messages à l’appareil le plus proche. Ce qui réduit la puissance de transmission nécessaire et prolonge la durée de vie de la batterie.
Les réseaux maillés conviennent aux grands bâtiments, car le béton peut bloquer la transmission d’un grand nombre de signaux radio, et la distance entre certains appareils et le routeur central est souvent trop importante pour que les signaux leurs parviennent directement.
Cependant, le développement de logiciels pour les réseaux maillés est souvent plus complexe et ils peuvent devenir difficiles à gérer. Du point de vue de l’utilisateur, les topologies maillées sont plus difficiles à appréhender et, par conséquent, une assistance technique plus importante est susceptible d’être nécessaire en permanence.
Les réseaux en étoile sont beaucoup plus simples et les utilisateurs en comprennent généralement le principe, mais ils présentent des limitations que les réseaux maillés permettent de surmonter.
- A propos de ByteSnap
ByteSnap Design possède une expertise allant de la conception de système électronique au développement d’applications embarquées. L’entreprise anglaise, dont le siège est situé à Birmingham, a conçu une variété de solutions pour des entreprises opérant au Royaume-Uni, aux États-Unis et en Europe, telles que des tablettes électroniques industrielles, des bornes de recharge pour véhicules électriques, des systèmes intelligents de sécurité domestique, des dispositifs de contrôle de l’énergie basés sur ZigBee, des guides touristiques multimédia portables, etc. Les appareils électroniques qu’elle conçoit peuvent intégrer une variété de technologies de traitement numérique allant des microcontrôleurs 8 bits à très faible consommation aux microprocesseurs 64 bits haut de gamme. Son équipe chargée des développements logiciels possède une expertise en matière de Linux embarqué et de Windows CE.
