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April 20, 2015 16:00

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11 protocoles à connaître pour l'Internet des objets (IoT)

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Un choix presque déconcertant d'options de connectivité s'offre aux ingénieurs en électronique et aux développeurs d'application travaillant sur des produits et systèmes destinés à l'Internet des objets (IoT).

Si de nombreuses technologies télécoms sont bien connues, à commencer par le Wi-Fi, le Bluetooth, ZigBee et les technologies cellulaires 2G/3G/4G, il faut également compter avec de nouvelles options émergentes de mise en réseau, dont Thread pour les applications domotiques, et les technologies TV Whitespace actuellement déployées dans les grandes villes pour une utilisation basée sur l'IoT en zone élargie. En fonction de l'application, certains facteurs spécifiques, tels que la portée, les exigences en termes de données, les questions de sécurité et d'alimentation et l'autonomie de la batterie, détermineront la ou les technologies à utiliser. Les développeurs ont le choix parmi les principales technologies télécoms suivantes.

Bluetooth

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S'étant imposée dans le secteur de l'informatique et dans différents marchés de produits de consommation, la technologie Bluetooth est un acteur incontournable pour les télécoms de courte portée. Elle devrait apporter une contribution majeure pour les produits portables notamment, facilitant encore une fois la connexion à l'IoT même par l'intermédiaire d'un smartphone. La nouvelle technologie Bluetooth Low-Energy (BLE), qui répond désormais au nom de Bluetooth Smart, est un protocole important pour les applications IoT. Offrant une portée similaire à celle du Bluetooth, elle a été conçue pour réduire considérablement la consommation électrique. 

Cependant, la technologie Smart/BLE n'a pas été vraiment conçue pour le transfert de fichiers et elle est plus adaptée aux petits blocs de données. Son intégration poussée dans les smartphones et autres appareils mobiles lui confère un indéniable avantage sur bien des technologies concurrentes dans le contexte des périphériques plus personnels. Bluetooth SIG estime que plus de 90 % des smartphones compatibles Bluetooth, notamment les modèles fonctionnant sur iOS, Android et Windows, devraient être « Smart Ready » d'ici 2018. 

Les circuits faisant appel aux fonctionnalités Bluetooth Smart incorporent la spécification fondamentale de Bluetooth version 4.0 (ou supérieure, la dernière version, la version 4.2, ayant été annoncée pour la fin 2014), associant une vitesse de transmission de base à une configuration du cœur faible consommation pour un transceiver RF, une bande de base et une pile de protocole. La version 4.2 via son profil de prise en charge des protocoles Internet permettra aux capteurs Bluetooth Smart d'accéder directement à Internet via la connectivité 6LoWPAN (présentée plus en détails dans la suite de ce document). Cette connectivité IP permet d'utiliser l'infrastructure IP existante pour gérer les périphériques en bordure de réseau Bluetooth Smart. Vous trouverez plus d'informations sur la technologie Bluetooth 4.2 et vous pourrez vous procurer un éventail complet de modules Bluetooth auprès de RS. 

  • Norme : la spécification fondamentale de Bluetooth 4.2
  • Fréquence : 2,4 GHz (ISM)
  • Portée : 50-150 m (Smart/BLE)
  • Vitesses de transmission : 1 Mbit/s (Smart/BLE)

Zigbee

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À l'instar du Bluetooth, ZigBee dispose d'une importante base d'exploitation installée, surtout en milieu industriel. Parmi les profils ZigBee disponibles, ZigBee PRO et ZigBee Remote Control (RF4CE) reposent sur le protocole IEEE802.15.4 ; fonctionnant à 2,4 GHz, cette technologie de réseau sans fil standard de l'industrie cible les applications nécessitant des échanges de données relativement peu fréquents à de faibles vitesses de transmission sur un espace restreint et dans une portée de 100 m (résidence ou bâtiment, par exemple). 

Associant fonctionnement à faible consommation, haute sécurité, robustesse et grande évolutivité avec un nombre important de nœuds, ZigBee/RF4CE présente d'importants avantages dans les systèmes complexes. Ce protocole est par ailleurs en position idéale pour tirer le meilleur parti du contrôle et des réseaux de capteurs sans fil dans les applications M2M et IoT. La dernière version de ZigBee est la version 3.0, qui consiste essentiellement à unifier les différentes normes sans fil ZigBee en une norme unique. Le CI sur système à composant (SoC)  ZigBee CC2538SF53RTQT et le kit de développement ZigBee CC2538 de TI illustrent parfaitement les produits et kits de développement ZigBee. 

  • Norme : ZigBee 3.0 basé sur IEEE802.15.4
  • Fréquence : 2,4 GHz
  • Portée : 10-100 m
  • Vitesses de transmission : 250 Kbit/s

Z-Wave

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Z-Wave est une technologie télécoms RF à faible consommation, principalement conçue pour la domotique et les produits tels que les contrôleurs de lampe ou les capteurs. Optimisée pour une communication fiable et à faible latence de petits paquets de données avec des vitesses de transmission pouvant atteindre 100 Kbit/s, elle fonctionne dans la bande Sub-GHz et offre une totale résistance aux interférences causées par le Wi-Fi et les autres technologies sans fil dans la plage 2,4 GHz, telles que le Bluetooth ou ZigBee. Permettant de contrôler jusqu'à 232 circuits, elle est très évolutive et prend en charge les réseaux full mesh sans recours à un nœud coordinateur. Z-Wave utilise un protocole plus simple que d'autres technologies, offrant un développement plus rapide et plus facile. Cela étant, elle ne peut compter que sur un seul fabricant de circuits, Sigma Designs, contre plusieurs sources pour d'autres technologies sans fil telles que ZigBee, notamment. 

  • Norme : Z-Wave Alliance ZAD12837/ITU-T G.9959
  • Fréquence : 900MHz (ISM)
  • Portée : 30 m
  • Vitesses de transmission : 9,6 / 40 / 100 Kbit/s 

6LowPAN

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6LowPAN (IPv6 Low-power wireless Personal Area Network) est une technologie IP majeure. Contrairement au Bluetooth ou ZigBee, 6LowPAN n'est pas une technologie de protocoles pour applications IoT, mais un protocole de réseau qui définit les mécanismes d'encapsulation et de compression d'en-têtes. Permettant de choisir la bande de fréquence et la couche physique, cette norme peut également être utilisée sur différentes plates-formes de communications, notamment Ethernet, Wi-Fi, 802.15.4 et la bande ISM Sub-GHz. L'un de ses attributs clés est la pile IPv6 (Internet Protocol version 6), qui a apporté une contribution capitale à la naissance de l'IoT au cours de ces dernières années. IPv6 est le successeur d'IPv4 et offre environ 5 x 1028 adresses à chaque personne dans le monde. Ainsi, il permet d'attribuer à tout objet ou circuit intégré dans le monde une adresse IP spécifique et une connexion à Internet. Spécialement conçu pour la domotique et l'automatisation de la construction, entre autres, IPv6 offre un mécanisme de transport de base permettant la production de systèmes de commande complexes et la communication économique avec les circuits, via un réseau sans fil à faible consommation.

Conçue pour l'envoi de paquets IPv6 sur des réseaux IEEE802.15.4 et la mise en œuvre de normes IP ouvertes dont TCP, UDP, HTTP, COAP, MQTT et la technologie WebSocket, cette norme offre des nœuds adressables de bout en bout, permettant à un routeur de connecter le réseau à l'IP. 6LowPAN est un réseau maillé associant robustesse, évolutivité et autoréparation. Les circuits de routeurs maillés peuvent acheminer les données à destination d'autres circuits, tandis que les hôtes peuvent rester en veille durant de longues périodes. Une présentation de 6LowPAN est disponible ici, avec la permission de TI. 

  • Norme : RFC6282
  • Fréquence : (adaptée et utilisée sur une variété d'autres médias de mise en réseau, dont Bluetooth Smart (2,4 GHz), ZigBee ou RF à faible consommation (Sub-GHz)
  • Portée : N/A
  • Vitesses de transmission : N/A

Thread

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Thread est un tout nouveau protocole de réseau IPv6 basé sur IP, destiné à l'environnement domotique. Basé sur 6LowPAN, et similaire à cette technologie, Thread n'est pas un protocole d'application IoT, comme le Bluetooth ou ZigBee. Cependant, d'un point de vue applicatif, cette technologie est avant tout conçue comme un complément au Wi-Fi ; en effet, bien que reconnaissant tous les atouts du Wi-Fi pour bon nombre de circuits grand public, elle en connaît les limites dans le contexte de la domotique. 

Lancé à la mi-2014 par le Thread Group, ce protocole sans redevance est basé sur différentes normes dont IEEE802.15.4 (comme interface radio sans fil), IPv6 et 6LoWPAN, et il offre une solution IP résiliente pour l'IoT. Conçu pour fonctionner sur les appareils à base de silicium sans fil IEEE802.15.4 proposés par des fournisseurs tels que Freescale et Silicon Labs, Thread prend en charge un réseau maillé articulé sur des transceivers radio IEEE802.15.4 et peut gérer jusqu'à 250 nœuds avec des niveaux élevés d'authentification et de codage. Une mise à niveau logicielle relativement simple devrait permettre aux utilisateurs d'exécuter Thread sur les circuits IEEE802.15.4 existants. 

  • Norme : Thread, basée sur IEEE802.15.4 et 6LowPAN
  • Fréquence : 2,4 GHz (ISM)
  • Portée : N/A
  • Vitesses de transmission : N/A

Wi-Fi

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Compte tenu de l'omniprésence du Wi-Fi dans l'environnement domotique au sein de réseaux locaux, la connectivité Wi-Fi s'impose souvent comme le choix évident pour beaucoup de développeurs. Elle ne nécessite pas de longues explications, sauf pour rappeler l'évidence, à savoir la vaste infrastructure existante, le transfert de données rapide et la possibilité de gérer de grandes quantités de données. 

À l'heure actuelle, la 802.11n s'impose comme la norme Wi-Fi la plus utilisée dans le contexte privé et professionnel. Cette norme offre un débit élevé, de l'ordre de centaines de mégabits par seconde, idéal pour les transferts de fichiers, mais peut-être trop énergivore pour la plupart des applications IoT. RS propose une série de kits de développement RF conçus pour la création d'applications Wi-Fi. 

  • Norme : basée sur 802.11n (actuellement la norme la plus utilisée pour un usage privé)
  • Fréquences : bandes de 2,4 GHz et 5 GHz
  • Portée : environ 50 m
  • Vitesses de transmission : 600 Mbit/s maximum, mais les vitesses habituelles sont plus proches de 150 Mbit/s, en fonction de la fréquence de canal utilisée et du nombre d'antennes (la dernière norme 802.11-ac devrait permettre des vitesses pouvant atteindre 500 Mbit/s à 1 Gbit/s) 

Technologie cellulaire


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Toute application IoT nécessitant un fonctionnement sur de plus longues distances peut profiter des capacités de communication cellulaire GSM/3G/4G. Bien que la communication cellulaire (4G en particulier) puisse envoyer de grandes quantités de données, elle implique aussi des coûts et une consommation électrique excessifs pour de nombreuses applications. Elle peut cependant être idéale pour les projets basés sur un capteur et qui, ne nécessitant qu'une faible bande passante, enverront de très faibles quantités de données sur Internet. La gamme de produits SparqEE joue un rôle essentiel dans ce secteur, avec la carte de développement économique CELLv1.0 très compacte, de même qu'une série de cartes de connexion de shield destinées aux plates-formes Raspberry Pi et Arduino. 

  • Norme : GSM/GPRS/EDGE (2G), UMTS/HSPA (3G), LTE (4G)
  • Fréquences : 900 / 1 800 / 1 900 / 2 100 MHz
  • Portée : 35 km max pour GSM ; 200 km max pour HSPA
  • Vitesses de transmission (standard en téléchargement) : 35-170 Kbit/s (GPRS), 120-384 Kbit/s (EDGE), 384 Kbit/s-2 Mbit/s (UMTS), 600 Kbit/s-10 Mbit/s (HSPA), 3-10 Mbit/s (LTE) 

NFC

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NFC (Near Field Communication) est une technologie favorisant des interactions bidirectionnelles simples et sûres entre deux dispositifs électroniques (les smartphones en particulier), pour permettre aux consommateurs d'effectuer des transactions par paiement sans contact, d'accéder à des contenus numériques et de se connecter à des dispositifs électroniques. Son action principale consiste à étendre les fonctionnalités de la technologie de carte sans contact, pour permettre aux dispositifs de partager des informations à une distance inférieure à 4 cm. Des informations complémentaires sont disponibles ici

  • Norme : ISO/CEI18000-3
  • Fréquence : 13,56MHz (ISM)
  • Portée : 10 cm
  • Vitesses de transmission : 100–420 Kbit/s

Sigfox

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Autre technologie à longue portée, Sigfox s'insère entre les technologies Wi-Fi et cellulaire en termes de portée. Elle utilise les bandes ISM, qui peuvent être utilisées gratuitement sans licences, pour transmettre des données sur un spectre très étroit, à partir et à destination d'objets connectés. Sigfox repose sur l'idée suivante : pour de nombreuses applications M2M fonctionnant sur une petite batterie et se contentant de transferts de données très limités, la portée du Wi-Fi est trop courte, tandis que celle de la technologie cellulaire est trop coûteuse et énergivore. Faisant appel à la technologie UNB (Ultra Narrow Band - À bande très étroite), Sigfox est uniquement conçu pour gérer des vitesses de transfert de données assez basses, de 10 à 1 000 bits par seconde. Sa consommation est limitée à 50 microwatts seulement, contre 5 000 microwatts pour la communication cellulaire ; ce protocole peut aussi offrir une durée de veille type de 20 ans avec une batterie 2,5 Ah, contre 0,2 an seulement pour la communication cellulaire. 

Déjà activé pour des dizaines de milliers d'objets connectés, le réseau est en cours de déploiement dans les grandes villes d'Europe, dont dix au Royaume-Uni. Associant robustesse, efficacité et évolutivité, le réseau permet de connecter des millions de circuits alimentés par batterie sur des zones de plusieurs kilomètres carrés. Cette distance est idéale pour différentes applications M2M, qui devraient comprendre les objets suivants : compteurs intelligents, moniteurs de patients, dispositifs de sécurité, éclairage de rue et capteurs d'environnement. Le système Sigfox utilise du silicium, avec notamment les transceivers sans fil EZRadioPro de Silicon Labs, qui offrent des résultats excellents en sans fil, une portée étendue et une consommation ultra-faible pour les applications réseau sans fil fonctionnant dans la bande Sub-GHZ. 

  • Norme : Sigfox
  • Fréquence : 900 MHz
  • Portée : 30-50 km (environnements ruraux), 3-10 km (environnements urbains)
  • Vitesses de transmission : 10-1 000 bit/s 

Neul 

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Reposant sur le même concept que Sigfox et fonctionnant dans la bande Sub-GHZ, Neul exploite de très petites couches du spectre TV White Space pour offrir des réseaux sans fil économiques associant une grande évolutivité, une couverture élevée et une faible consommation. Les systèmes sont articulés sur le processeur Iceni, qui fait appel à White Space pour les communications, afin d'accéder au spectre UHF de haute qualité, désormais disponible suite au passage de la TV analogique à la TV numérique. La technologie de communication Weightless est une nouvelle technologie de réseau étendu sans fil conçue pour l'IoT, majoritairement en concurrence avec les solutions GPRS, 3G, CDMA et LTE WAN existantes. Les vitesses de transmission vont de quelques bits par seconde à 100 Kbit/s sur la même liaison simple ; par ailleurs, la consommation des circuits peut aller de 20 à 30 mA avec alimentation sur 2 piles AA, soit 10 à 15 ans sur le terrain. 

  • Norme : Neul
  • Fréquence : 900 MHz (ISM), 458 MHz (UK), 470-790 MHz (White Space)
  • Portée : 10 km
  • Vitesses de transmission : de quelques bit/s à 100 Kbit/s

LoRaWAN

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Également similaire à certains égards à Sigfox et à Neul, LoRaWAN cible les applications de réseau étendu (WAN) et est conçu pour fournir des réseaux étendus à faible consommation dont les fonctionnalités sont indispensables à la communication bidirectionnelle sécurisée mobile à faible coût dans les applications urbaines et industrielles intelligentes, ainsi que IoT et M2M. Optimisées pour une faible consommation et prenant en charge de grands réseaux comprenant plusieurs millions de circuits, les vitesses de transmission vont de 0,3 Kbit/s à 50 Kbit/s. 

  • Norme : LoRaWAN
  • Fréquence : variable
  • Portée : 2-5 km (environnement urbain), 15 km (environnement suburbain)
  • Vitesses de transmission : 0,3-50 Kbit/s

Pour en savoir plus sur l'Internet des objets, rendez-vous dans notre IoT Design Centre

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April 20, 2015 16:00

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