Ajout de connectivité aux applications IoT via des réseaux personnels et étendus

Par Rédacteurs européens

Avec la contribution de Rédacteurs européens de Digi-Key

Il est impossible d'imaginer l'IoT sans technologie RF. Depuis la fin du 19e siècle, les technologies et les techniques employées dans la modulation, l'émission et la réception d'énergie électromagnétique ont considérablement évolué, de débuts modestes à des technologies globales. L'IoT est le tout dernier chapitre de cette histoire.

La loi encadrant l'utilisation de la technologie RF a également enregistré d'importantes modifications, mais il existe désormais de nombreuses solutions sans licence qui influencent chaque aspect du monde moderne. En respectant certaines restrictions, tout le monde peut mettre en service un réseau radio à l'aide de dispositifs prêts à l'emploi, et cela change le paysage industriel et commercial.

Même si les principes restent les mêmes, les techniques de modulation ont considérablement changé, et ce, en grande partie grâce au développement du traitement numérique des signaux. La demande en solutions sans fil ciblant l'IoT entraîne aujourd'hui des innovations en matière de technologies de réseaux personnels et étendus. L'utilisation de la technologie sans fil comporte également son lot d'exigences, comme la conformité avec les restrictions régionales, la surveillance et la résolution des menaces de sécurité, et la garantie de compatibilité au sein des réseaux. Des efforts sont déployés dans les protocoles et leur implémentation au niveau de la puce pour résoudre ces problèmes.

Le Bluetooth 5 en plein essor

En ce qui concerne les réseaux personnels (PAN, Personal Area Network), la technologie Bluetooth est incontestablement la plus prolifique et avec l'avènement du Bluetooth 5, son attrait risque d'augmenter encore. La dernière version de la spécification constitue une mise à niveau majeure, car elle prend en charge le réseau maillé, une topologie qui permet des connexions directes entre les dispositifs, éliminant ainsi le besoin de recourir à un concentrateur central. Cela conduit aux réseaux PAN Bluetooth qui offrent un choix quasi illimité en matière de tailles et de nombre de dispositifs, ce qui constitue un avantage évident dans l'IoT.

Les améliorations incluent la portée, le volume de données utiles et la consommation énergétique, qui permettront tous d'augmenter l'applicabilité du Bluetooth et, par conséquent, le nombre de dispositifs en service. L'un des premiers dispositifs intégrés à prendre en charge le Bluetooth 5 est le DA14586 de Dialog Semiconductor. Ce système sur puce hautement intégré présente trois processeurs : un cœur ARM® Cortex®-M0 dédié au code de l'application, un processeur dédié à la couche de liaison et un processeur de cryptage AES 128 bits. Il comprend également un émetteur-récepteur radio 2,4 GHz prenant en charge une antenne unifilaire.

Les dispositifs comme le DA14586 conviennent parfaitement aux dispositifs corporels grâce à leur taille, leur haut niveau d'intégration et leurs exigences basse consommation. Dans ces applications, l'antenne sera probablement mise en œuvre sur la carte à circuit imprimé pour réduire davantage l'espace total du système et la nomenclature. Il s'agit généralement du cas d'utilisation idéal, mais comme pour les conceptions RF, certaines précautions doivent être prises.

Par exemple, le dispositif nécessite un plan de masse efficace et solide, connecté à l'aide d'un maximum de traversées, et une empreinte générale compacte pour limiter le couplage transversal entre les composants qui fonctionnent à hautes fréquences. Ces caractéristiques peuvent être obtenues facilement en utilisant une carte à circuit imprimé à plusieurs couches qui permet l'implémentation du format d'antenne le plus courant, l'antenne en F inversé (IFA). Lorsque celle-ci est appliquée à une liaison Bluetooth, l'utilisation du format IFA plié est possible, lequel, par rapport au format IFA pleine longueur, réduit de moitié l'espace requis pour la carte à circuit imprimé, tout en fournissant une bande passante acceptable. Les Figures 1a et 1b illustrent respectivement les formats IFA pleine longueur et réduit, tels qu'ils ont été mis en œuvre sur la couche supérieure d'une carte à circuit imprimé multicouches pour le modèle DG14586.

Image d'une antenne IFA pleine longueur imprimée sur un substrat de 1 mm.

Figure 1a : Antenne IFA pleine longueur imprimée sur un substrat de 1 mm.

Image d'une antenne IFA au format réduit imprimée sur un substrat de 1 mm

Figure 1b : Antenne IFA au format réduit imprimée sur un substrat de 1 mm.

Il est important de noter que le réseau d'adaptation dépendra du substrat utilisé et de l'épaisseur générale de la carte à circuit imprimé. Bien évidemment, l'antenne devra également présenter un dégagement suffisant pour protéger de toute forme d'interférence. En règle générale, il est conseillé de conserver un dégagement d'au moins 5 mm autour de l'antenne, autant horizontalement que verticalement, et d'éviter l'utilisation de métal dans le boîtier.

Avec le DA14586, il est également possible d'installer une antenne sur une carte à circuit imprimé à une seule couche. Mais sans plan de masse continu, les dipôles imprimés seront normalement remplacés par une conception IFA. Toutefois, cela risque d'augmenter les coûts en devant recourir à un symétriseur.

Solutions multiprotocoles

Même si le Bluetooth est prolifique, ce n'est pas le seul protocole sans fil à être utilisé dans l'IoT. Comme il est peu probable qu'un seul protocole puisse répondre aux exigences de toutes les applications, la coexistence dans la bande ISM 2,4 GHz sera encore nécessaire pour un certain temps.

Conscients de cette réalité, certains fabricants proposent désormais des dispositifs capables de mettre en œuvre plusieurs protocoles sans fil dans un seul dispositif, offrant ainsi plus de choix aux fabricants et aux consommateurs. La gamme de systèmes sur puce sans fil multiprotocoles Mighty Gecko de Silicon Labs constitue un bon exemple.

Alimenté par un processeur ARM Cortex-M4 hautes performances avec des extensions DSP, le modèle EFR32MG12 est capable de prendre en charge les protocoles ZigBee, Thread, Bluetooth 5 et des protocoles propriétaires. Il comprend également de nombreux périphériques de Silicon Labs dédiés aux applications IoT, comme l'interface de capteur basse consommation (LESENSE) et l'interface de détection capacitive à plusieurs canaux (CSEN). La Figure 2 illustre l'émetteur-récepteur radio entièrement intégré et flexible, qui intègre un symétriseur. Le bloc RFSENSE permet au dispositif de s'activer à la réception d'un signal RF et de démoduler ce signal automatiquement (sans activer le microcontrôleur), une fonctionnalité conçue pour optimiser la durée de vie dans les applications alimentées par batterie ou avec de l'énergie récupérée.

Schéma de l'émetteur-récepteur RF entièrement intégré dans le modèle EFR32MG12 de Silicon Labs

Figure 2 : Émetteur-récepteur RF entièrement intégré dans le dispositif EFR32MG12.

La série EFR32 est bien placée pour les applications qui récupèrent leur énergie à partir de sources renouvelables, telles que des sources solaires et thermiques ou des vibrations. Il est même possible d'alimenter le dispositif EFR32 avec de l'énergie récupérée par le biais d'une boucle de courant de 4 à 20 mA dans une application industrielle. La Figure 3 illustre comment le fonctionnement basse consommation de l'EFR32 permet d'alimenter un dispositif avec de l'énergie récupérée.

Schéma des modes basse consommation qui rendent possibles les applications IoT

Figure 3 : Les modes basse consommation permettent des applications IoT alimentées uniquement avec de l'énergie récupérée.

Une gestion efficace est primordiale dans les applications de récupération d'énergie, qui incluent le stockage de toute énergie non utilisée immédiatement. Des batteries de stockage d'énergie, telles que des condensateurs électrolytiques, des supercondensateurs ou de petites batteries rechargeables, peuvent être mises en œuvre. Comme une pointe de courant se produit au démarrage, il peut être nécessaire d'inclure un moyen d'empêcher le démarrage du système sur puce tant que la batterie de stockage d'énergie n'est pas suffisamment chargée. La Figure 4 est un schéma conceptuel de l'implémentation d'un tel commutateur commandé en tension. L'hystérésis doit être intégrée au commutateur pour empêcher le microcontrôleur de s'éteindre lorsque la tension chute en dessous du niveau de microcoupure pendant le démarrage.

Schéma d'implémentation d'un commutateur commandé en tension

Figure 4 : Implémentation d'un commutateur commandé en tension.

Il est important de noter que le mode énergétique 4 de la série EFM32 requiert une réinitialisation. Il doit donc être utilisé avec précaution dans les conceptions à récupération d'énergie. Silicon Labs recommande l'utilisation des modes veille EM1 à EM3, si possible.

Réseaux WAN basse consommation

Comme les communications sans fil ne se limitent pas aux réseaux PAN, il est possible de mettre en œuvre une application IoT sur un réseau WAN sans fil, offrant des communications sur de plus grandes distances. Il existe désormais un éventail de technologies de réseau étendu basse consommation ciblant les applications alimentées par batterie, comme LoRaWAN, Weightless, Sigfox et même LTE.

En ce qui concerne la portée, Sigfox offre des résultats impressionnants, avec une visibilité directe pouvant atteindre 1000 km. Ces résultats sont possibles grâce à l'utilisation d'une technologie radio à bande très étroite fonctionnant sur des réseaux propriétaires et d'un protocole simple qui n'impose pas le besoin d'établir une connexion avant la transmission.

L'implémentation des réseaux WAN basse consommation diffère de celle des réseaux PAN, mais la connexion n'est pas difficile. Par exemple, le dispositif ATA8520D de Microchip est un émetteur-récepteur monopuce dédié au réseau Sigfox. La Figure 5 illustre un exemple d'application.

Schéma de l'émetteur-récepteur pour Sigfox ATA8520D de Microchip

Figure 5 : Exemple d'utilisation de l'émetteur-récepteur Sigfox ATA8520D.

Tandis que l'ensemble des micrologiciels nécessaires à l'exécution du protocole Sigfox et à la commande des circuits d'entrée RF intégrés est embarqué et exécuté sur le processeur du dispositif, le contrôle des fonctions de transmission et de réception est initié via SPI par le processeur hôte.

Le dispositif restera désactivé jusqu'à ce qu'il soit activé par le processeur hôte, ce qui consomme généralement moins de 5 nA à 25°C. Dans une application standard, le cycle d'émission/de réception commence avec l'activation, suivie par la séquence d'instructions : obtention du statut ; écriture tampon TX ; envoi/réception de trame ; obtention du statut ; lecture tampon RX. Après l'instruction de lecture, l'instruction de désactivation peut également être envoyée via SPI, plaçant ainsi le dispositif en mode d'économie d'énergie.

Conclusion

L'IoT sera porté par les technologies sans fil, mais il est peu probable qu'il soit dominé par une seule solution. La disponibilité de dispositifs monopuces capables de mettre en œuvre un vaste choix de protocoles sans fil montre que la fragmentation n'empêchera pas le développement de l'IoT.

Les coûts d'implémentation de la connectivité sans fil diminuent, tout comme la complexité des conceptions. Le développement de systèmes sur puce entièrement intégrés embarquant la pile de protocoles, les circuits d'entrée RF et de puissants microcontrôleurs dans une solution basse consommation, offrira une connexion à de plus en plus de dispositifs dans les années à venir.

Choisir le bon protocole sans fil pour une application spécifique pourra toutefois s'avérer plus difficile. À mesure de l'augmentation du chevauchement entre les capacités, le choix du protocole deviendra moins évident (peut-être aussi moins important). Des efforts pour créer des dispositifs multiprotocoles pourraient résoudre ce problème dès son apparition.

Une chose est claire : la connectivité sans fil au niveau des réseaux PAN et WAN augmente, offrant une flexibilité, un contrôle et des fonctionnalités globales supérieurs à chaque secteur vertical.

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