La 5G, ce n'est pas pour tout de suite... Utilisez des modules 4G LTE prêts à l'emploi pour le contrôle et la détection IoT à distance

Les développeurs d'applications IoT, telles que les systèmes de détection et de contrôle à distance, cherchent activement la solution idéale pour pouvoir exploiter en permanence des communications sans fil offrant un faible coût, une basse consommation énergétique et une longue portée. Il existe trois autres exigences particulièrement délicates, à savoir une haute fiabilité, une faible latence et des interférences minimales. Bien que la 5G promette de répondre à ces critères, les concepteurs peuvent d'ores et déjà utiliser les réseaux cellulaires 4G LTE, qui seront encore disponibles pendant de nombreuses années.

Parmi les applications de détection et de contrôle à distance figurent notamment la surveillance et le suivi des actifs à l'échelle mondiale, le relevé de compteurs, la connectivité des machines industrielles et la maintenance préventive dans les grandes installations extérieures, comme les raffineries, les usines chimiques et les mines, les infrastructures de villes intelligentes, la surveillance médicale à domicile et les dispositifs corporels et l'agriculture intelligente.

Même si la 5G fait l'objet d'un grand nombre de discussions à mesure du déploiement des réseaux par différents prestataires dans diverses régions, les communications cellulaires 4G continueront à dominer le marché dans un avenir proche. C'est pourquoi les développeurs doivent faire preuve de pragmatisme lors de la sélection de leurs interfaces RF IoT. Au-delà du simple choix du module RF, ils doivent soigneusement réfléchir à l'écosystème dont ils ont besoin pour pouvoir facilement tirer parti de l'Internet des objets cellulaire. Les éléments critiques d'un écosystème incluent notamment les piles logicielles, l'infrastructure cellulaire ainsi que les forfaits de données et les systèmes de facturation des opérateurs nécessaires à une couverture cellulaire adaptée à l'utilisation de la technologie IoT.

Cet article propose un aperçu des applications IoT cellulaires et des technologies embarquées indispensables à leur mise en œuvre. Il aborde également de façon détaillée l'utilisation des technologies matérielles et logicielles les plus courantes, ainsi que les ressources disponibles susceptibles d'aider les ingénieurs à développer des solutions IoT cellulaires pour les différentes applications citées ci-dessus. Enfin, il inclut des informations sur les forfaits immédiatement accessibles.

Pourquoi pas la 5G ?

Malgré de grandes avancées, les normes relatives aux équipements et aux réseaux 5G n'ont pas encore été totalement finalisées. Même lorsqu'elles le seront, plusieurs années seront encore nécessaires au développement et au déploiement d'équipements et de réseaux 5G standardisés. En attendant, les réseaux 4G LTE, commercialisés depuis 2011, sont tout à fait capables de garantir les performances et les couvertures requises par la plupart des applications IoT.

Selon au moins une estimation, les réseaux 4G LTE représentent environ 40 % du marché mondial actuel des services cellulaires, tandis que les réseaux 2G et 3G plus anciens en représentent chacun près de 30 %. Même d'ici à 2025, le taux de pénétration du marché de la 5G ne devrait pas dépasser 15 %. Compte tenu de ces informations, les concepteurs de systèmes IoT exigeant une longue portée et une basse consommation ont tout intérêt à tirer parti de l'infrastructure cellulaire existante, ainsi qu'à appliquer les normes 4G LTE et antérieures. Celles-ci ont non seulement l'avantage d'être déjà opérationnelles, mais elles évoluent également régulièrement, comme dans le cas des réseaux 4G LTE qui doivent répondre aux besoins de l'Internet des objets.

Évolution LTE pour l'IoT

La version 13 du 3GPP (Third Generation Partnership Project) relative à la norme LTE a défini de nouvelles catégories LTE pour les applications IoT : la catégorie M1 (Cat-M1), anciennement appelée eMTC (enhanced Machine Type Communication) et la catégorie NB1 (Cat-NB1), anciennement appelée Narrowband-IoT (NB-IoT). Ces nouvelles catégories étendent la technologie LTE pour l'IoT en proposant une plus faible consommation d'énergie, une meilleure couverture, une plus faible latence, un coût moins élevé, ainsi qu'un niveau d'interférence minimal grâce à l'utilisation de bandes de fréquence sous licence.

La catégorie Cat-M1 définit une largeur de canal de 1,4 MHz, ainsi qu'un débit de 375 kilobits par seconde (kbits/s) pour les liaisons montantes et de 300 kbits/s pour les liaisons descendantes. La catégorie Cat-NB1, quant à elle, définit une largeur de canal bien plus petite, de 200 kHz seulement, avec un débit mesuré en dizaines de kilobits par seconde. La latence Cat-M1 se situe environ entre 10 et 15 millisecondes, tandis que celle associée à la catégorie Cat-NB1 se mesure en secondes et peut même atteindre 10 secondes dans certains scénarios de déploiement.

Ces performances sont suffisantes pour un grand nombre d'applications de détection IoT, comme les systèmes de relevé des compteurs, les systèmes de surveillance de l'état de santé et les applications de fitness mobiles qui peuvent bénéficier de la longue portée et de l'omniprésence des communications cellulaires. Actuellement, et dans un avenir proche, aucune autre technologie sans fil longue portée et basse consommation n'offre l'évolutivité, la sécurité et la longévité des réseaux 4G LTE existants.

Connexion au cloud

Plusieurs fournisseurs proposent déjà des modules qui fonctionnent en tant que modems de données cellulaires ou qui en incluent un dans une plateforme de développement embarquée. Ces modules connectent des dispositifs IoT au cloud via des réseaux cellulaires 4G LTE (ou antérieurs). Or, un module matériel seul ne suffit pas pour connecter un dispositif IoT au cloud. Un logiciel approprié et une connexion gérée avec un fournisseur de services cellulaires sont également requis. Sans ces trois éléments, aucune connectivité n'est possible.

Le choix entre des modules IoT cellulaires avec ou sans processeur d'application dépend de la façon dont le projet a été conçu d'un point de vue matériel, à savoir s'il implique une création de zéro ou l'ajout d'une connexion IoT cellulaire à une conception embarquée existante. Vous trouverez ci-dessous une courte présentation de certains circuits intégrés et de modules de modems cellulaires 4G LTE avec ou sans processeur d'application embarqué.

Le module LPWA (réseau étendu basse consommation) AirPrime WP7702 de Sierra Wireless intègre un sous-système de traitement des applications et un modem de données cellulaires dans un boîtier compact de 22 mm x 23 mm x 2,5 mm. Ce module est conforme à la norme version 13 du 3GPP, et met en œuvre les protocoles Cat-M1 et Cat-NB1. Son débit de données Cat-M1 de crête atteint 300 kbits/s en liaison descendante et 375 kbits/s en liaison montante, tandis que son débit de données Cat-NB1 atteint 27 kbits/s en liaison descendante et 65 kbits/s en liaison montante.

Figure 1 : Le module RF AirPrime WP7702 de Sierra Wireless inclut un processeur d'application et prend en charge les protocoles cellulaires Cat-M1 et Cat-NB1. (Source de l'image : Sierra Wireless)

Conjointement avec ses modules RF AirPrime, Sierra Wireless fournit l'environnement de développement intégré (IDE) Developer Studio. Reposant sur l'IDE Eclipse Java, il permet aux développeurs de créer des applications utilisant la structure applicative Legato open-source avec une interface graphique utilisateur (GUI) intuitive, exécutée sur des hôtes Windows, Linux et MacOS. L'outil comprend des utilitaires et des fonctions utiles pendant les différentes phases du cycle de conception, afin de soutenir le développement logiciel pour les applications de données sans fil.

Legato combine une distribution de système d'exploitation basée sur Linux (s'exécutant sur le processeur Arm® Cortex®-A7 de 1,3 GHz intégré au module WP7702), un BSP et des outils de développement personnalisés fonctionnant sur un PC hôte. Sierra Wireless propose également la solution AirVantage IoT Platform, un portail en libre-service qui permet de gérer la connectivité et les dispositifs pour un ensemble de modems cellulaires Sierra Wireless connectés à plusieurs opérateurs de services cellulaires différents dans le monde, dont AT&T, Verizon, NTT, Telstra, KT et SKT. AirVantage permet également d'automatiser les mises à jour micrologicielles des modems Sierra Wireless via la connexion sans fil.

Talon Communications, Inc. intègre le module WP7702 de Sierra Wireless sur une carte porteuse, qui fait également office de plateforme de développement. Ensemble, le module WP7702 et la carte porteuse incluent la carte d'évaluation mangOH Red™, qui est dotée d'une prise embarquée pour une carte micro SIM cellulaire (requise pour bénéficier du service de l'opérateur). La plateforme mangOH Red permet de connecter de nombreuses broches d'interface du module WP7702 à des connecteurs, dont trois connecteurs d'antenne, deux connecteurs micro USB, un port hôte USB pleine taille, une embase mâle avec broches E/S GPIO, I²C, SPI et UART, ainsi qu'un jack de 3,5 mm pour la sortie audio et stéréo.

Figure 2 : La carte mangOH Red prend en charge le développement d'applications pour le module RF WP7702 de Sierra Wireless. (Source de l'image : Talon Communications)

Le port hôte USB de la carte mangOH Red permet de connecter la plateforme de développement à un ordinateur hôte pour le développement logiciel. Le chargement du pilote Windows approprié et l'installation de Legato Developer Studio de Sierra Wireless complètent la configuration pour le développement d'applications IoT sans fil à l'aide du module WP7702.

Le dispositif SARA-R410M-02B d'u-blox est un module émetteur-récepteur RF LTE Cat-M1 et Cat-NB1 ultracompact de 16 mm x 26 mm x 2,5 mm, fourni en boîtier LGA à 96 broches.

Ce module se connecte à un processeur hôte via son interface USB ou UART. Il est contrôlé par le processeur hôte à l'aide d'un ensemble de commandes AT orientées chaînes défini par le 3GPP. Le SARA-R410M-02B comporte également une interface de carte SIM pour l'identification des services de l'opérateur.

Figure 3 : L'émetteur-récepteur RF SARA-R410M-02B d'u-blox implémente un module radio Cat-M1 et Cat-NB1 complet, ainsi qu'une bande de base qu'il est possible de connecter à un processeur hôte. (Source de l'image : u-blox)

Le kit d'évaluation EVK-R4 d'u-blox intègre les broches E/S du module SARA-R410M d'u-blox. Il fournit les connecteurs appropriés pour relier le module aux antennes, à l'alimentation et au processeur hôte. Il inclut également un support de carte SIM embarqué et accepte une carte fille GNSS (système de positionnement par satellites). Les dispositifs GNSS sont souvent appairés avec des radios cellulaires pour les applications de suivi. (Pour plus d'informations sur les modules et dispositifs GNSS, voir les articles relatifs à la conception rapide de systèmes de suivi de localisation à l'aide de modules GNSS et à l'ajout d'une acquisition rapide et d'une haute précision aux applications de suivi à l'aide de modules GNSS rentables.)

Figure 4 : Le kit de développement EVK-R4 d'u-blox comprend les broches E/S du module SARA-R410M d'u-blox pour simplifier le développement. (Source de l'image : u-blox)

Hologram, Inc. a pris le module SARA-R410M d'u-blox et l'a installé sur une petite carte USB pour créer le dispositif HOL-NOVA-R410. Cette solution permet d'ajouter rapidement des capacités d'émetteur-récepteur RF Cat-NB1 et Cat-M1 LTE à des produits existants avec des ports USB.

Figure 5 : Le NOVA-R410 d'Hologram Inc. place le modem RF cellulaire SARA-R410M d'u-blox sur un petit support USB pour simplifier l'ajout de communications RF IoT longue distance à des systèmes équipés de ports USB. (Source de l'image : u-blox)

Le SiP (système en boîtier) nRF9160 de Nordic Semiconductor intègre un microcontrôleur d'application, un modem LTE complet, un circuit d'entrée d'émetteur-récepteur et un système de gestion de l'alimentation dans un boîtier de 10 mm x 16 mm x 1 mm. Le module inclut une prise en charge GPS pour le suivi des actifs. La combinaison des données de localisation obtenues depuis le réseau cellulaire avec la trilatération satellite GPS permet la surveillance à distance de la position du dispositif.

Le processeur d'application Arm Cortex-M33 du nRF9160 s'exécute à 64 MHz avec 256 kilo-octets (Ko) de mémoire RAM statique et 1 mégaoctet (Mo) de mémoire Flash. Le modem 4G LTE du module implémente les protocoles Cat-M1 et Cat-NB1 de la version 13, ainsi que les protocoles Cat-NB1 et Cat-NB2 de la version 14 du 3GPP.

Le kit de développement nRF9160-DK de Nordic Semiconductor pour le module nRF9160 inclut un module nRF9160 monté sur une carte porteuse.

Figure 6 : Le kit de développement nRF9160-DK de Nordic Semiconductor comprend toutes les broches d'un module cellulaire nRF9160 pour le travail de développement et propose également une prise en charge logicielle étendue. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Contenu du kit de développement logiciel :

• Système d'exploitation temps réel (RTOS) évolutif Zephyr Project pour le nRF9160
• Chargeur d'amorçage sécurisé MCUboot
• Bibliothèques indépendantes RTOS nrfxlib

Un schéma fonctionnel du kit de développement NRF9160-DK illustre les composants de support dont le nRF9160 peut avoir besoin.

Figure 7 : Le schéma fonctionnel du kit de développement NRF9160-DK de Nordic Semiconductor illustre les composants de support dont un SiP IoT cellulaire nRF9160 peut avoir besoin. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Nordic recommande l'utilisation de l'IDE Embedded Studio de Segger Microcontroller Systems pour le développement d'applications nRF9160. Une version spécialisée de Segger Embedded Studio est disponible gratuitement pour une utilisation avec les dispositifs de Nordic Semiconductor, y compris le SiP nRF9160.

Quelques mots au sujet des forfaits de données

Avant qu'un dispositif puisse être déployé sur le réseau d'un opérateur, il doit faire l'objet d'un processus de qualification visant à vérifier qu'il respecte bien les exigences de l'opérateur en termes de bandes et d'interférences. Au préalable, le développeur a besoin de choisir un forfait de données qui lui convient et de tenir compte de son coût à long terme. À cet effet, une liste des forfaits de données cellulaires IoT disponibles est fournie ici en référence.

Conclusion

Le paysage de l'Internet des objets cellulaire évolue rapidement, en particulier avec l'avènement et l'introduction imminente des technologies cellulaires 5G. Des modules RF pour les applications IoT cellulaires sont disponibles, mais ils nécessitent la prise en charge d'un écosystème pour que l'Internet des objets cellulaire puisse être exploité en toute commodité. Cet écosystème inclut les outils de développement logiciel, les piles et les bibliothèques nécessaires pour transformer les solutions de puces et de modules en produits déployables. Tant que la 5G ne sera pas accessible au plus grand nombre, les modules basés sur les réseaux 4G LTE resteront une solution viable pour les applications de contrôle et de détection IoT à distance pour de nombreuses années.