L'IoT pour tous

Par Rolf Horn

Avec la contribution de DigiKey

2020-10-07

Aujourd'hui, le monde des technologies évolue plus rapidement que jamais, et de plus en plus de nouvelles technologies sont ajoutées aux applications sans fil. L'Internet des objets (IoT) dynamise l'innovation dans presque tous les aspects de notre vie. Le simple fait de connecter des « objets » n'ayant jamais été connectés auparavant conduit à de nouvelles informations qui se traduisent par des changements significatifs. L'IoT est une méga-tendance technologique qui ne représente pas seulement un test d'endurance pour les systèmes hérités, mais qui façonne également le destin des petites et grandes entreprises dans de nombreux secteurs. Les estimations portent sur 50 milliards de dispositifs connectés IoT d'ici à la fin 2020 et 100 milliards d'ici à 2025.

Les normes de transmission ayant été modifiées pour prendre en charge les dispositifs IoT, il n'a jamais été aussi facile pour un passionné de technologies sans fil de s'essayer à la conception d'un nouveau schéma de modulation. De plus, il existe de nombreux nouveaux capteurs qui peuvent être associés à une liaison sans fil. Plus que jamais, ces technologies sont également plus accessibles à tous. Cet article traite de chacun de ces développements et de la manière dont tout le monde peut utiliser dès maintenant ces technologies économiques et omniprésentes.

Les technologies radio de réseau étendu basse consommation (LPWAN) sont disponibles sur les infrastructures cellulaires et existent depuis quelques années maintenant. L'Internet des objets à bande étroite (NB-IoT), les connexions LTE-M et LTE-MTC et les communications eMTC sont populaires. L'avantage de ces technologies réside dans leur capacité à tirer parti des tours cellulaires existantes utilisées pour le trafic vocal et à bande passante élevée. Toutefois, un dispositif qui ne requiert qu'un suivi et un contrôle occasionnels n'a pas besoin d'une bande passante élevée. Comme beaucoup de ces dispositifs fonctionnent sur batterie, des normes de consommation et de bande passante inférieures compatibles avec ces normes technologiques ont été nécessaires.

Les technologies Sigfox, LoRa/LoRaWAN et NB-Fi, entre autres, n'exploitent pas les réseaux cellulaires existants et requièrent de nouvelles infrastructures. L'inconvénient de ces solutions est la nécessité d'avoir une liaison montante pour effectuer un couplage au réseau Internet plus étendu. Bien que ces opérateurs de réseaux non cellulaires fournissent cette liaison montante sous forme de service, il s'agit encore d'un autre système de réseau informatique à négocier.

Cependant, les opérateurs de réseaux cellulaires sont des entreprises de grande envergure et il n'est pas réaliste d'envisager de les concurrencer. La meilleure solution consiste à acheter du « temps » sur leurs réseaux en adoptant des modems conformes à leurs normes, puis en payant un abonnement mensuel.

Les réseaux non cellulaires peuvent être construits avec des fonds modestes, tout en sachant que la zone géographique qu'ils couvrent n'est pas mondiale tant qu'ils ne sont pas connectés à un serveur qui effectue la liaison à Internet. Toutefois, il existe de nombreux cas de réseaux qui ne nécessitent pas une connectivité mondiale, par exemple une usine industrielle d'assemblage et de production de capteurs. En fait, le réseau devrait être isolé dans ces applications.

La bonne nouvelle, c'est que l'accès aux réseaux cellulaires ainsi que les puces et les modules permettant de créer un réseau basse consommation sont disponibles et que les forfaits de données réseau peuvent coûter seulement 3 dollars par mois. Il suffit d'un modem certifié par un opérateur cellulaire pour pouvoir mettre « en ligne » tout dispositif dans le monde entier.

Les solutions électroniques sous forme de modules poursuivent leur développement spectaculaire. Aucune expertise n'est requise pour créer une conception au niveau de la puce : un concepteur peut se procurer une radio pré-conçue et certifiée. Cela réduit non seulement le savoir-faire technique RF nécessaire, mais permet également d'accélérer la mise sur le marché des produits. Lors d'une récente vérification, après avoir examiné les puces utilisées dans les modules et vu quel type de client achetait chacune d'entre elles, il a été surprenant de constater que les entreprises ayant le savoir-faire nécessaire achetaient non seulement les mêmes puces que celles utilisées sur les modules, mais achetaient également les modules, à hauteur de plusieurs milliers d'unités pour chaque système, des quantités de production. Cela confirme l'idée qu'il peut être préférable de commercialiser rapidement un produit moins optimisé en termes de coût pour tester le marché quant à une nouveauté, plutôt que de concevoir un produit optimisé en termes de coûts dès le départ. Si le marché testé est suffisamment important, il est alors possible d'optimiser le produit en termes de coût en redescendant au niveau de la puce. Cependant, il existe un niveau même inférieur aux puces, que cet article appelle le niveau de forme d'onde.

Les radios logicielles (SDR) permettent à un développeur de tester de nouveaux schémas de modulation. S'il existe un besoin unique et que le concepteur possède l'expertise nécessaire, une norme radio propriétaire peut être développée. Même sans expertise, un concepteur peut apprendre beaucoup et de manière ludique en expérimentant avec une radio logicielle. Par exemple, un collègue de l'auteur de cet article a un brevet sur le décodage des transmissions stéréo FM en interpolant la valeur du signal en bande de base à l'instant précis où le signal est égal à la forme d'onde gauche ou droite et sans synchronisation de l'horloge du système avec la porteuse RF. Il s'agit d'une approche logicielle de la décomposition des signaux composites et tout cela peut être implémenté aujourd'hui dans une radio logicielle. Ce brevet a près de 30 ans et son développement a été un véritable défi. C'est simple aujourd'hui grâce aux radios logicielles disponibles dans le commerce.

L'Analog Devices Advanced Learning Module PLUTO (ADALM-PLUTO) d'Analog Devices fait partie de ces radios logicielles et est disponible à la vente comme produit prêt à l'emploi pour environ 150 USD depuis septembre 2020. Ces dispositifs interfacent avec un ordinateur personnel via une liaison USB, contiennent un FPGA facilement reconfigurable, prennent largement en charge le langage de programmation Python, et peuvent transmettre et recevoir des signaux sur une plage de 325 MHz à 3,8 GHz. Si un concepteur veut vraiment découvrir et utiliser la technologie RF, c'est un bon point de départ.

Pour en revenir aux produits spécifiques, des centaines de capteurs sous forme de puces et de modules ont vu le jour. Il existe littéralement des centaines de milliers de capteurs disponibles chez des distributeurs tels que DigiKey, qui propose plus de 210 000 capteurs différents.

Voici quelques-uns des différents types de capteurs disponibles :

Chacun de ces capteurs, ou chacune de ces combinaisons de capteurs, peut être intégré à un produit pouvant se connecter à Internet via une grande variété d'options sans fil.

Par exemple, un projet en ligne montrant la connexion à Internet d'un « contrôleur de stores » est disponible sur maker.io à la page « Trinamic's TMC5161 + Microchip's AVR-IoT WG + DigiKey's IoT Studio Temp » (Figure 1).

Image du projet de stores télécommandés Figure 1 : Projet de stores télécommandés, tel que décrit dans le projet maker.io « Kickstart and Innovate your blinds control design ». (Source de l'image : maker.io)

Le kit de développement de Microchip Technology est destiné aux applications de domotique IoT. Pour plus d'informations, consultez la page relative au kit d'évaluation de domotique IoT (Figure 2).

Image du kit d'évaluation de domotique IoT de Microchip Figure 2 : Kit d'évaluation de domotique IoT de Microchip. (Source de l'image : Microchip)

Résumé

Tout le monde a accès à l'IoT et les kits de développement abordés dans cet article ne constituent qu'un échantillon des outils mis à la disposition des concepteurs IoT.

En conclusion, bonne chance pour le développement de votre prochaine innovation connectée à l'Internet des objets dans ce monde connecté.

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