Différence entre communication et conception IoT et M2M

Bien que la communication machine-à-machine (M2M) et l'Internet des objets (IoT) soient liés et parfois utilisés comme synonymes, ils sont tout de même différents. Cela conduit à de fausses idées et à une certaine confusion concernant leurs caractéristiques distinctives, leurs capacités, ainsi que les exigences de conception et d'implémentation.

Cet article explique les différences entre ces deux concepts et présente des exemples de chaque approche avant de détailler les particularités propres à la communication M2M par rapport aux systèmes IoT à l'aide de solutions de conception provenant de Multi-Tech Systems, FreeWave Technologies, Hirschmann et B+B SmartWorx. Il étudie également les nouvelles capacités M2M comme les mises à jour sans fil (OTA) et la sécurité multicouche qui renforcent les fonctionnalités réseau et réduisent les barrières d'accès. Enfin, il explique aux concepteurs comment choisir le bon forfait de données M2M pour réduire le coût de communication des données.

Différence entre M2M et IoT

Même si les technologies M2M et IoT se rapportent toutes deux au partage de données et aux liaisons qui permettent le transfert de données, elles présentent également des différences : l'IoT est un réseau de dispositifs connectés à Internet, tandis que le M2M est un processus de communication automatisé entre deux systèmes électroniques (ou machines ou dispositifs) ou plus. Les machines ou dispositifs connectés en point-à-point ou point-à-multipoint M2M peuvent être des capteurs, des actionneurs, des systèmes embarqués ou d'autres éléments connectés.

Il est important de noter que le M2M existait avant l'apparition du terme « IoT » et avant l'émergence du réseau Internet commercial au milieu des années 90. L'origine de la communication M2M remonte aux applications télémétriques ayant émergé à la suite de l'arrivée de la radio bidirectionnelle au début du 20e siècle. Cependant, le lancement du GSM, le premier réseau cellulaire numérique, a engendré une nouvelle phase de développement en matière de communications M2M dans les années 90.

Une dizaine d'années plus tard environ, l'IoT est apparu en tant que moyen de communication principal pour connecter des objets via des réseaux IP ouverts. C'est à ce moment-là que les limites entre ces deux technologies de communication uniques ont commencé à devenir floues. Pour illustrer cette confusion, il est utile d'étudier une application d'exemple (un capteur de fréquence cardiaque) et de voir en quoi cette application correspond à la fois au modèle M2M et au modèle IoT.

Lorsqu'un capteur contrôle la fréquence cardiaque d'un patient en étant connecté à un dispositif externe ou à un serveur médical pour informer le médecin en permanence de l'état de santé de son patient, cela relève plutôt d'une application M2M. Si le capteur de fréquence cardiaque est plutôt intégré à un dispositif interactif à proximité du patient et envoie des alertes au médecin ou aux membres de la famille du patient sur leur smartphone, cela relève du monde de l'IoT.

Les applications M2M avec mécanismes de connectivité filaires, sans fil et cellulaires incluent la lecture automatisée des compteurs des fournisseurs d'énergie, la connectivité intelligente avec les feux de circulation, et les dispositifs de sécurité et d'assistance à domicile intégrant une caméra de surveillance. C'est au niveau de ce carrefour de technologies de réseautage que la communication M2M commence à converger vers des conceptions IoT similaires.

L'IoT vient compléter la communication M2M

Dans un contexte plus vaste, la communication M2M est entrée dans une nouvelle phase de l'ère de l'IoT. En tant que cousin de l'IoT, le M2M peut utiliser les mêmes technologies et solutions de connectivité à développement rapide que celles associées à l'IoT, en particulier en ce qui concerne la technologie sans fil. Les modems cellulaires de la série MultiConnect Cell 100 MTC-H5-B01-US-EU-GB de Multi-Tech Systems, prenant en charge à la fois les applications M2M et IoT, constituent un bon exemple (Figure 1).

Figure 1 : Le modem cellulaire MTC-H5-B01-US-EU-GB (à gauche) de Multi-Tech Systems, conçu pour les applications M2M, peut également être utilisé pour les services IoT. (Source de l'image : Telit)

Ces modems cellulaires prennent en charge le GSM via des réseaux 4G Cat 4 et Cat-M1, et sont utiles pour les applications M2M comme l'automatisation de processus, les services d'urgence, la surveillance des patients à distance, les systèmes d'énergie renouvelable et la gestion des systèmes de queue de train.

Les modems de la série Cell 100 offrent plusieurs options d'interface, notamment des interfaces série RS-232 et USB, pour répondre à de nombreuses exigences d'application. Le matériel est pris en charge par MultiTech Connection Manager, un progiciel qui détecte automatiquement les dispositifs série et USB, télécharge les pilotes requis et garantit que les ports de communication sont correctement mappés pour établir une connexion M2M.

Étant donné que les fournisseurs travaillent sur des solutions IoT basse consommation à l'aide d'une connectivité hautement intégrée, cela permet également de faciliter la conception de radios M2M compactes disponibles avec diverses entrées de tension et configurations réseau.

Les modules RF de 900 mégahertz (MHz) de la série MM2 de FreeWave Technologies sont un bon exemple. Ils peuvent servir de point de terminaison dans les topologies de réseau point-à-point et point-à-multipoint. Les modules de circuit d'entrée RF intègrent un FET à l'arséniure de gallium (GaAs) et un filtrage à ondes acoustiques de surface (SAW) à plusieurs étages, pour combiner sensibilité élevée et immunité aux surcharges. Deux débits de données peuvent être choisis : 115,2 kilobits par seconde (kbps) ou 153,6 kbps.

Les spécifications typiques relatives à la puissance de sortie, à la sensibilité d'entrée et à la portée de la série MM2 sont respectivement de 1 W, -108 dB par rapport à 1 mW (dBm) et jusqu'à 32 km. Cette portée suppose un horizon dégagé.

Sécurité et fiabilité des conceptions MM2

La sécurité et la fiabilité, caractéristiques partagées par les conceptions M2M et IoT, sont encore plus essentielles dans les applications M2M, car ces dernières n'impliquent généralement pas d'interaction humaine. La sécurité et la fiabilité sont en fait des freins majeurs dans le cadre du déploiement général des réseaux M2M.

Ainsi, dans l'espace filaire, les commutateurs Ethernet à rails DIN industriels RS20/RS30 d'Hirschmann permettent aux ingénieurs de configurer des réseaux M2M selon les besoins en matière de fiabilité. Les commutateurs RS20 offrent 4 à 25 ports Fast Ethernet pour garantir une tolérance extrêmement élevée aux défaillances (Figure 2). De même, les commutateurs RS30 de l'entreprise présentent 8 à 24 densités de ports avec 2 ports Gigabit Ethernet et 8, 16 ou 24 ports Fast Ethernet.

Figure 2 : Le commutateur Ethernet RS20 d'Hirschmann offre 4 à 25 ports Fast Ethernet pour limiter les risques de défaillance. (Source de l'image : Hirschmann)

Les ports Fast Ethernet et Gigabit peuvent être définis de manière individuelle, ce qui donne aux concepteurs M2M la possibilité d'opter pour un protocole redondant et des mécanismes de sécurité conformément aux exigences de conception spécifiques.

La prise en charge de normes comme MRP (Media Redundancy Protocol) et MSTP (Multiple Spanning Tree Protocol) garantit une disponibilité réseau élevée pour les applications M2M axées sur la fiabilité. De même, il existe de nombreux mécanismes de sécurité pris en charge par ces commutateurs Ethernet industriels, notamment la sécurité de port IP et MAC, SNMP V3, SSHv2 et l'authentification multiclient 802.1x.

Du côté des systèmes sans fil, les routeurs et les ponts Ethernet AirborneM2M de B+B SmartWorx fournissent des modèles de ports série simples et doubles pour renforcer la fiabilité des applications M2M (Figure 3). Les dispositifs à port double de B+B SmartWorx peuvent établir des connexions Wi-Fi sur des bandes de 2,4 gigahertz (GHz) et 5 GHz. Ainsi, lorsque la bande de 2,4 GHz est surchargée par des activités de communication sans fil, les routeurs et les ponts M2M peuvent maintenir le flux de données en passant sur la bande de 5 GHz.

Figure 3 : Aperçu de la façon dont des dispositifs M2M peuvent être reliés via Ethernet ou via des liaisons série à l'aide de ponts et de routeurs Wi-Fi hautement sécurisés. (Source de l'image : B+B SmartWorx)

Les dispositifs de mise en réseau AirborneM2M intègrent également une approche de sécurité multicouche qui englobe la sécurité sans fil sous forme de certification 802.11i/WPA2 Enterprise et la sécurité réseau avec prise en charge de la certification EAP (Extensible Authentication Protocol).

Ces dispositifs M2M renforcent la sécurité réseau en intégrant une authentification de clé publique SSH (Secure Shell) et des tunnels de données entièrement cryptés. De plus, au niveau du dispositif, ces routeurs et ponts M2M offrent une capacité de cryptage sur plusieurs niveaux pour protéger les données de configuration.

Concernant les services M2M qui utilisent la connectivité cellulaire, la sécurité et l'authentification respectent généralement les normes LTE. Quant à la sécurité physique, avec les cartes SIM embarquées soudées directement à la carte, il est presque impossible de les modifier et de les retirer pour les utiliser de manière abusive.

Les cartes SIM utilisées dans les applications M2M nous amènent au dernier sujet : les forfaits de données M2M et les questions pertinentes concernant leur choix et leur utilisation.

Forfaits de données M2M

Les concepteurs et les utilisateurs M2M peuvent avoir de nombreuses options lorsqu'il s'agit de forfaits de données M2M, étant donné que tous les principaux opérateurs mobiles proposent des forfaits de données et des offres tarifaires pour les services M2M. Cependant, il existe quelques critères essentiels permettant de les évaluer, notamment le degré de personnalisation pour l'application.

En outre, certains fournisseurs sont spécialisés dans les services M2M. Ils sont souvent appelés « opérateurs de réseau virtuel mobile » (MVNO). Ces opérateurs mobiles fournissent la mise à disposition et la gestion à distance des connexions M2M via des services sans fil (OTA).

Ici, contrairement aux cartes SIM traditionnelles utilisées dans les téléphones mobiles, une carte SIM M2M fournie par un opérateur spécialisé permet aux utilisateurs de contrôler l'utilisation des données et d'autres fonctionnalités comme la surveillance d'activités et le verrouillage de la carte SIM. Ces cartes SIM peuvent également être fournies et reliées à des serveurs d'application spécifiques, grâce aux fonctionnalités réseau de tunnellisation.

Il est également important de mentionner que certains spécialistes M2M proposent aussi des forfaits de données combinés avec des modems et d'autres équipements M2M comme des passerelles, ce qui définit les applications M2M comme des tâches complètes. Ces opérateurs M2M sont généralement des fournisseurs indépendants qui établissent une couverture selon les besoins de l'application M2M.

Par exemple, si un service de surveillance de santé peut se contenter d'une simple couverture réseau cellulaire, une flotte de camions peut nécessiter plus d'une empreinte de réseau mobile. De plus, les utilisateurs M2M doivent s'assurer que leur fournisseur est capable de résoudre les problèmes de capacité et peut effectuer des dépannages à distance et en temps réel.

Niveaux de forfaits de données

Enfin, lorsqu'il s'agit du coût du transfert de données M2M, et par conséquent de l'aspect économique des forfaits de données, la nature de l'application est très importante. Par exemple, les applications M2M comme les points de vente (PoS) sans fil et les parcmètres utilisent de petits paquets de données de manière sporadique. Les forfaits de données avec paiement à l'utilisation sont donc plus intéressants que les forfaits avec paiement par dispositif ou les forfaits de données fixes.

De plus, les forfaits mensuels à faible utilisation de 50 kilo-octets (Ko) à 3 mégaoctets (Mo) par mois peuvent suffire pour les applications M2M comme la lecture automatisée de compteurs, le suivi de ressources et de véhicules, et les systèmes d'alarme de sécurité. D'un autre côté, les forfaits M2M à utilisation moyenne, de 5 Mo à 150 Mo par mois, peuvent être très utiles pour les applications de vente, de commerce au détail et de santé (Figure 4).

Figure 4 : Les forfaits de données M2M sont divers et variés. (Source de l'image : Data2Go Wireless)

Pour les cas plus exigeants, il existe des forfaits à utilisation intensive pour la signalisation numérique, les contrôleurs logiques programmables pour la surveillance et le contrôle industriels, ainsi que pour la gestion de bâtiments intelligents. Ces forfaits vont de 300 Mo à 4 gigaoctets (Go) et sont typiquement utilisés pour les dispositifs M2M qui requièrent un accès en temps réel à des emplacements à distance pour transférer des fichiers volumineux ou pour diffuser du contenu en continu.

Il existe même des forfaits de données M2M pour une utilisation extrême, de 8 Go à 100 Go, généralement utiles aux dispositifs nécessitant des connexions M2M 24 h/24 et 7 j/7, pour diffuser en continu d'importants volumes de données. Généralement, de telles applications M2M incluent des liaisons de secours et de redondance, ainsi que des systèmes de vidéosurveillance pour la gestion des ressources.

Par ailleurs, il existe des forfaits de données M2M qui permettent aux utilisateurs de regrouper l'utilisation de données de plusieurs cartes SIM. Ainsi, un dispositif M2M utilisant trop de données peut être compensé par un autre dispositif connecté utilisant très peu de données. De plus, en fonction de l'application et de l'opérateur, ces forfaits de données fournissent aux utilisateurs les technologies de connectivité de leur choix : GPRS, 2G, 3G et LTE 4G.

Conclusion

Une étude approfondie des mondes entremêlés des communications M2M et IoT montre qu'ils se distinguent par leur architecture réseau et leurs exigences d'implémentation, mais qu'ils partagent également des éléments communs, comme les modules RF, les modems, les commutateurs, les routeurs et les passerelles. La connectivité cellulaire et ses forfaits de données associés fournissent un autre cadre commun à ces deux technologies de mise en réseau.

Toutefois, en raison de ces points communs, il est encore plus important de bien comprendre les limites qui séparent les systèmes M2M et IoT, car cette distinction affecte l'évaluation des besoins de conception d'automatisation industrielle en matière de sécurité, de disponibilité et de fiabilité des connexions, d'options d'interface et de robustesse RF.