Quand on se lance dans la conception d’un objet connecté plusieurs critères sont à prendre en compte pour mener à bien son projet. Au préalable, il faut une excellente compréhension des tendances du marché mais surtout des usages, car l’expérience consommateur est la clé de ce marché.
Chez Altyor, nous avons une très bonne compréhension de ces problématiques et avons intégré à nos équipes de jeunes ingénieurs eux-mêmes très utilisateurs de ces objets connectés. Dans cet article nous allons examiner deux points clés : le choix de la technologie de communication et la source d’énergie adaptée à l’objet. Ces 2 notions sont liées et constituent un point de départ pour prendre les bonnes décisions lors de la phase de conception.
Quels sont les besoins en autonomie d’énergie : secteur, piles ou batteries ?
Un premier point essentiel est de déterminer si le produit doit être autonome en énergie : pile (autonomie qui se compte en mois), batterie (en jours) ou secteur (pas de limitation). La consommation électrique souhaitée conditionnera en partie la préconisation d’un réseau adapté.
Par exemple si l’objet connecté doit communiquer en permanence avec un autre objet, inutile de partir sur une source d’énergie fournie par pile. Le consommateur final ne veut pas d’un produit pour lequel les piles doivent être changées toutes les semaines. Dans ce cas, on optera plutôt pour des batteries rechargeables, voire une alimentation secteur. De plus si l’objet sera utilisé dans un CADRE DOMESTIQUE, on optera pour des protocoles dits de courte portée alors que l’utilisation OUTDOOR nécessite d’autres choix.
Quel réseau choisir pour votre objet connecté ? Sigfox, LoRa, Wi-Fi, 3G, 4G…
Z-Wave/Enocean/Zigbee/Wi-Fi, quatre réseaux adaptés au cadre domestique
Z-Wave est un protocole de communication dédié à la domotique. Sans fil avec une portée de 30 mètres, c’est un réseau maillé, c’est-à-dire que chaque appareil connecté au système est émetteur de données mais peut aussi relayer celles qui sont émises par ses voisins. Cela permet d’élargir sa portée. Un bémol toutefois : il est préférable d’installer régulièrement dans son environnement des appareils reliés au secteur, pour éviter les zones blanches. Ceux qui fonctionnent sur batterie sont la plupart du temps en sommeil pour ne pas consommer trop (le protocole Z-Wave brûle tout de même deux fois plus d’énergie que le Bluetooth Low Energy. Tous les appareils de la maison ne pourront pas forcément communiquer avec un objet connecté via cette technologie.
Enocean est un réseau de communication sans fil et sans pile. IL permet de résoudre le problème de la durée de vie des objets connectés. Il peut capter l’énergie nécessaire à son fonctionnement dans son environnement grâce à des capteurs de mouvement (énergie mécanique) mais aussi grâce à des capteurs de solaire. Il fonctionne aussi souvent sur piles.
Zigbee (tout comme Enocean) est réputé pour sa faible consommation et permet de faire circuler plus de données que Z-Wave. Il est également plus facile à implémenter pour les fabricants d’objets connectés que Z-Wave ou le Bluetooth (dans sa version 4, dite Low Energy comme dans sa version 5, qui vient d’être standardisée). Mais ce réseau n’a que 10 mètres de portée en moyenne.
Le Bluetooth Low Energy est très largement utilisé dans le monde. Quasiment tous les smartphones sont équipés de cette technologie, fréquemment utilisée pour faire communiquer les wearables. Il consomme environ 20 fois moins d’énergie que le Wifi. Dans la pratique, sa portée se limite à la pièce où se trouve l’objet alors que le Z-wave franchira plus facilement les murs, du fait de sa fréquence plus basse. La dernière version de cette techno, le Bluetooth 5, est plus adaptée à l’IoT ; elle dispose d’une portée deux fois supérieure à celle de son aînée et offre la possibilité de faire un réseau maillé pour étendre sa portée. Ce réseau de courte portée permet de transporter nettement moins d’informations que le Wi-Fi.
Le Wi-Fi est très énergivore et ne devrait être utilisé que pour des appareils branchés sur le secteur, dans la maison par exemple. Universel, Il permet de transférer un grand nombre de données rapidement. Ce protocole de communication peut être utilisé pour connecter des caméras de surveillance qui filment des images lourdes 24h/24.
L’utilisation OUTDOOR nécessite d’autres choix techniques
2G / 3G / 4G – Très gourmands en énergie les appareils connectés à ces réseaux sont majoritairement utilisés en application nomade et donc plutôt sur batterie avec des autonomies de quelques heures à quelques jours (téléphone mobile). Ils sont sur le secteur en application domestique lorsque l’on veut de la sécurité de connexion (la 2G en plus du WiFi pour un système d’alarme par exemple). Le prix des abonnements dépend de la quantité de data mensuelle consommé (rooming, data ou data + voix). Il varie selon l’opérateur choisi et est nettement plus élevé que ceux de Sigfox et LoRa. Avant, il fallait prévoir un espace sur l’objet connecté pour insérer une carte SIM. Aujourd’hui, les cartes SIM peuvent être des composants à souder directement sur le PCB et prennent donc peu de place. Le principal avantage des réseaux cellulaires est qu’ils permettent de transférer d’importantes quantités de données. Ainsi pour faire transiter 83 mégabits, il faut 22 secondes en 3G et 1 seconde en 4G (selon l’opérateur Virgin Mobile).
Avec SIGFOX les appareils ne consomment que très peu d’énergie pour envoyer leurs données via ce réseau. Ils fonctionnent sur piles avec une autonomie pouvant aller jusqu’à quelques années ! Sigfox étend son réseau à plusieurs pays européen et à travers le monde ce qui peut faciliter l’usage d’un produit au niveau international ; mais cela reste encore limité car dans certains pays la couverture est très faible. En ville, Sigfox a une portée qui peut être supérieure 10 km E10; et peut atteindre les 30 km à la campagne. Une couverture qui reste néanmoins inférieure à celle des réseaux 2G/3G/4G. En contrepartie de sa faible consommation d’énergie, Sigfox ne permet de transporter que de très faibles quantités de données, entre 10 et 100 bps (bits par seconde maximum). On est limité à 140 messages par jour de 12 octets maximum chacun. C’est un réseau plutôt unidirectionnel dans la pratique même s’il est possible de faire du downlink de façon très ponctuelle.
LoRa – Le protocole très basse consommation LoRa est déployé par différentes entreprises, comme Bouygues Telecom ou encore Orange. Bidirectionnel et à faible coût, il permet de transmettre des données à des distances de 2 à 5 kilomètres en milieu urbain et jusqu’à 45 kilomètres en milieu rural. LoRa est plus adapté (en comparaison à Sigfox) à des applications nécessitant du downlink ou nécessitant plus de débit (au détriment de la portée). LoRa permet aussi de faire un réseau propriétaire sans passer par un opérateur. Il sera idéal pour des capteurs émettant périodiquement une faible quantité de données de température, de géolocalisation, ou de pression par exemple. Par contre Sigfox est généralement moins cher et présent dans plus de pays avec le même abonnement.
Le NB-IoT/LTE Cat M1 : nouvel arrivé sur le marché ! Le marché évolue sans cesse et chez Altyor nous suivons de très près cette nouvelle technologie. Le NB-IoT/LTE Cat M1 est une évolution de la 4G. Son principal intérêt est qu’il fonctionne avec les réseau 4G actuel et devrait donc autoriser un déploiement de l’infrastructure très rapide, contrairement aux réseaux Sigfox/Lora qui nécessitent de créer l’infrastructure. Le NB-IoT/LTE Cat M1 permet une base consommation couplée à une longue portée. C’est le chainon manquant (encore en phase de test) mais qui selon nous est très prometteur… même si actuellement le prix des modules à mettre dans l’objet connecté est plus élevé que pour Sigfox ou LoRa.
Vous l’aurez compris ces réseaux ont tous leurs avantages et leurs inconvénients, reste à savoir lequel sera le plus adapté à votre objet connecté. C’est pourquoi dans certaines situations, les entreprises peuvent être tiraillées entre plusieurs solutions. Il est possible de croiser différentes technologies sur un même objet connecté, même si cela rend plus complexe la conception de l’appareil.
Le mode de communication et la consommation électrique sont les 2 points d’entrée dans la conception d’un objet IOT mais ne sont pas les seuls. En effet il faudra également y intégrer d’autres critères comme la couverture, la bidirectionnalité, l’instantanéité, l’interopérabilité, et enfin la taille de l’objet mais surtout le coût ! C’est pourquoi, afin de vous accompagner dans la conception de vos objets connectés, Altyor s’attache à mieux connaitre vos besoins ! Nos ingénieurs en électronique, de part leur expertise et leur expérience dans ce domaine, sauront vous guider pour faire les bons choix.
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