L'un des premiers choix que vous ferez lors de la conception d'un système IoT est le mode de communication. Si certains projets peuvent être câblés à l'aide d'Ethernet ou d'un protocole série, la plupart d'entre eux exigent la mobilité et l'agilité que procure la communication sans fil.
IoT sont souvent situés dans des endroits où le câblage pour l'alimentation ou les communications n'est pas pratique, et beaucoup sont entièrement mobiles, ce qui rend toute solution câblée hors de question. Dans ces cas, le choix d'un protocole de communication sans fil est une évidence. Mais quelle solution sans fil convient le mieux à votre projet ?
Dans ce post, nous comparons la communication cellulaire à la communication RF (protocoles de radiofréquence), en examinant les considérations clés pour vous aider à faire le meilleur choix. Nos exemples se concentrent sur les modules Digi XBee®, mais les considérations sont les mêmes quels que soient la marque et le modèle de communication sans fil que vous implémentez dans votre projet.
Emmenez-moi à l'écosystème XBee de modems RF et cellulaires
Pour le cellulaire, nous examinerons les protocoles à faible bande passante pris en charge par la gamme Digi XBee Cellular, notamment LTE Cat 1, LTE-M et NB-IoT. Digi propose également une large sélection de solutions de radiofréquence non cellulaire. C'est ce que nous appelons notre ligne "RF" de modules Digi XBee comprenant : le XBee 3 Zigbee, XBee 3 DigiMesh, et XBee 3 802.15.4; le XBee-PRO Zigbee et XBee-PRO DigiMesh; le XBee SX 900 et XBee 868MHz; et le XBee-PRO 900HP.
Consultez le guide d'achat XBee pour comparer les capacités des différents modules de l'écosystèmeDigi XBee .
Comparaison des communications sans fil RF et cellulaires
La meilleure solution de communication sans fil pour tout système IoT dépend toujours du contexte. Pour certains projets, le cellulaire sera la meilleure solution. Pour d'autres, les besoins en énergie et les coûts du cellulaire peuvent être prohibitifs et une solution RF à courte portée comme Digi XBee 3 Zigbee sera la solution idéale. S'il existe autant de protocoles différents sur IoT , c'est parce qu'il y a autant de types de projets différents, chacun ayant des exigences uniques. En gardant cela à l'esprit, examinons les considérations pour chaque type de solution.
Communications cellulaires : Avantages et compromis
Comme pour toute option de communication sans fil, le cellulaire est soumis à des considérations allant du coût et de la complexité au temps nécessaire pour concevoir et construire une solution, en passant par la manière dont vous ou vos clients finaux gérerez finalement le dispositif. Par exemple, vous devrez vous assurer que le micrologiciel de votre produit peut être régulièrement mis à jour avec des mises à jour de sécurité ou de fonctionnalité et que vos dispositifs de communication sans fil sont en ligne et fonctionnent correctement.
Les solutions cellulaires nécessitent une infrastructure externe. Deux modules cellulaires ne se parlent jamais directement ; ils doivent se connecter par l'intermédiaire du réseau d'un opérateur sans fil en utilisant son vaste réseau de tours de communication et son infrastructure dorsale considérable. Lorsque nous disons qu'un module cellulaire communique avec "la tour", nous faisons en réalité référence à l'ensemble du réseau de l'opérateur, représenté par une seule tour. Comme le cellulaire nécessite une infrastructure, un plan de données payant d'un opérateur sans fil est presque toujours nécessaire. Même avec des plans à coût réduit pour les appareils à faible bande passante IoT , les frais totaux peuvent être importants et, pour certains projets, prohibitifs.
Avantages de la communication cellulaire
Un module de communication cellulaire communique directement avec toute tour à portée et utilise cette connexion pour communiquer directement, généralement avec des applications en ligne dans le nuage. L'un des principaux avantages du choix du cellulaire pour votre méthode de communication sans fil est qu'aucun autre équipement n'est nécessaire ; le module et son antenne suffisent.
Les solutions cellulaires sont extrêmement mobiles. Leurs connexions peuvent être transférées d'une tour à l'autre à grande vitesse. Avec le bon module et le bon plan de données, votre appareil IoT peut se déplacer sans problème dans le monde entier sans perdre la connectivité. N'oubliez pas que chaque module doit se trouver dans la portée radio d'une tour pour communiquer. Si un opérateur sans fil ne couvre pas une zone, les communications cellulaires n'y seront pas possibles.
Les données cellulaires sont natives de l'IP, ce qui signifie que les modules cellulaires dotés de connexions actives peuvent converser avec l'Internet directement dans leur langue maternelle. Cela réduit le travail de développement et simplifie l'architecture du réseauIoT . De plus, les mises à jour over-the-air sont relativement simples, puisque le micrologiciel peut être transmis directement du nuage au dispositif, ce qui facilite la correction des bogues et les améliorations.
En outre, les OEM et les clients finaux peuvent utiliser la plateforme de communication et de gestion des appareils basée sur le cloud de Digi, Digi Remote Manager®, pour une série de tâches critiques. Digi Remote Manager (Digi RM fournit un ensemble complet de fonctions de gestion telles que les mises à jour automatiques des micrologiciels sur l'ensemble de votre déploiement, la surveillance des paramètres de configuration pour détecter les failles de sécurité, la surveillance de l'état et de la santé des appareils, les alarmes et les notifications pour des conditions spécifiques et bien plus encore. Et Digi RM offre la possibilité de gérer l'ensemble de vos appareils connectés IoT - y compris les appareils série non Digi - via un tunnel VPN sécurisé.
Compromis avec les communications cellulaires
L'une des contreparties est que les systèmes cellulaires doivent être mis à niveau régulièrement pour suivre les mises à jour exigées par les opérateurs, et parfois les expirations de protocole qui nécessitent le remplacement du matériel sous-jacent.
La plupart des appareils du site IoT fonctionnent avec des piles. Les communications cellulaires ont une demande d'énergie relativement élevée car elles nécessitent beaucoup de courant pour communiquer avec une tour qui peut se trouver à 1/4 de mile ou plus. Les nouveaux protocoles cellulaires de IoT offrent une consommation de courant réduite et même certains modes de veille, mais ils continuent de vider les piles beaucoup plus rapidement que les modules de communication RF.
Le matériel cellulaire est assez complexe, il est donc généralement plus coûteux et physiquement un peu plus grand, surtout si l'on considère la plus grande antenne nécessaire pour accepter toutes les différentes bandes cellulaires.
Communications RF non cellulaires : Avantages et compromis
Les solutions de communication RF que nous allons aborder ici ont des capacités différentes de celles du cellulaire. Elles peuvent communiquer entre elles directement, et même faire sauter des messages par d'autres modules intermédiaires lorsqu'elles utilisent un protocole maillé. Si le réseau doit envoyer des messages au-delà de sa zone locale, il aura besoin d'un dispositif de passerelle, tel que la passerelle Digi IX15 IoT , qui traduit et transmet les données ailleurs, généralement via Internet. Les passerelles RF sont courantes, mais certainement facultatives, et toutes les solutions ne les utilisent pas.
Notez que, bien que nous ne les abordions pas dans cet article, Digi propose également d'excellentes solutions LoRaWAN®, Wi-Fi et Bluetooth.
Les systèmes de communication RF peuvent être déployés et fonctionner indéfiniment sans frais mensuels de la part de tiers. Cela peut faire la différence entre une solution rentable IoT et une solution qui ne fonctionne pas économiquement, même si elle est techniquement solide. Un réseau RF peut être mis en place presque partout, sans tenir compte de la couverture d'un tiers, mais il sera généralement limité à une zone prédéfinie où chaque module peut en voir au moins un autre pour maintenir son réseau.
Avec une solution RF, vous fournissez votre propre couverture indépendamment de tout fournisseur. Vous devez également fournir votre propre liaison de données, afin de déplacer les informations de la périphérie du réseau vers l'endroit où elles doivent être. Dans la plupart des cas, cela nécessite une sorte de dispositif de passerelle, qui regroupe les données entrantes de votre réseau RF local et les transmet à l'Internet. Les passerelles peuvent également accepter les données Internet et les transmettre au réseau RF.
Dans un protocole point à point comme le 802.15.4, chaque radio doit être à portée de la passerelle. Toutefois, les protocoles maillés tels que Zigbee et DigiMesh permettent aux messages de "sauter" automatiquement par des modules intermédiaires avant d'atteindre la passerelle, de sorte que les réseaux peuvent être beaucoup plus étendus que la portée de la passerelle elle-même. Comme une solution RF est indépendante, il n'est pas nécessaire de mettre à niveau quoi que ce soit en fonction du calendrier de quelqu'un d'autre. Une fois que votre système est opérationnel, il peut théoriquement fonctionner sans changement pendant des décennies, ce qui contribue à maintenir les coûts à un niveau bas.
Les modules RF utilisent généralement des protocoles autres qu'IP pour communiquer. Ce n'est pas un oubli, c'est parce que TCP/IP n'a pas été conçu avec les solutions IoT à l'esprit, ce qui crée des défis techniques majeurs pour les appareils à faible puissance et à faible bande passante qui sont souvent endormis et hors ligne. Même si les protocoles à venir, comme Matter, devraient changer cette situation, les protocoles largement déployés, comme 802.15.4, Zigbee et DigiMesh, doivent actuellement être traduits au niveau de la passerelle s'ils doivent atteindre l'internet.
Notez que les passerelles avancées comme celles que Digi propose prennent en charge la distribution de micrologiciels par voie aérienne, mais gardez à l'esprit que d'autres marques peuvent ne pas le faire. De plus, Digi XCTU® permet la configuration et la gestion locales des modules RF XBee déployés.
Avantages de la communication sans fil avec les modules RF
Nous avons déjà abordé plusieurs grands avantages des communications RF, notamment en ce qui concerne les économies sur les forfaits cellulaires. La RF présente également d'autres facteurs de coût. IoT doit souvent être extrêmement bon marché pour que l'ensemble du système soit rentable. C'est là que les solutions RF peuvent vraiment briller.
Voici quelques autres avantages clés des dispositifs de communication RF, qui ont tous un impact sur le coût total de possession :
- Leurs protocoles et leur matériel ont été rigoureusement optimisés pour les économies.
- Elles consomment très peu de courant et peuvent dormir pendant de longues périodes d'inactivité, ce qui leur permet de survivre pendant des mois, voire des années, sans être remplacées.
- Les dispositifs eux-mêmes sont plus simples, ce qui signifie qu'ils peuvent être physiquement plus petits et moins coûteux.
- Leurs antennes ne doivent généralement prendre en charge qu'une seule bande de fréquences, ce qui crée des avantages supplémentaires en termes de taille et de coût qui peuvent ouvrir la voie à la rentabilité.
Applications des communications sans fil : Options RF et cellulaires
Examinons quelques applications différentes de la communication sans fil dans les cas d'utilisation de IoT pour voir comment ces choix s'appliquent dans des situations réelles. Ensemble, ces exemples de communication sans fil illustrent les nombreux types d'applications et certaines considérations pour les équipes de développeurs.
Surveillance et contrôle des tondeuses à gazon robotisées pour les terrains de golf
Les tondeuses à gazon bougent, donc on pense tout de suite au cellulaire pour la mobilité. Les tondeuses ont besoin de beaucoup d'énergie embarquée et elles sont assez grosses et coûteuses, donc Digi XBee cellular est un bon choix là aussi. L'accès direct au protocole IP simplifie également le développement de l'architecture du système de support. Il convient de noter que les modules de communication RF à longue portée comme Digi XBee SX pourraient également faire l'affaire. Toutefois, si le terrain est vaste, boisé ou vallonné, plusieurs passerelles et répéteurs pourraient être nécessaires, ce qui pourrait rendre le système moins économique et moins robuste.
Lisez notre étude de cas client avec Renu Robotics pour voir comment ils ont choisi une méthode de communication sans fil pour leurs robots tondeuses pour champs solaires !
Surveillance des fuites d'eau dans les salles mécaniques des bâtiments
Une salle mécanique est un lieu intérieur, parfois situé sous terre où la couverture cellulaire peut être inexistante. Plusieurs capteurs seront nécessaires pour garantir que, quel que soit l'endroit où une fuite se produit, un capteur sera là pour la détecter. Nous voudrons garder les coûts bas puisqu'ils seront multipliés par le nombre de capteurs. Si la pièce est suffisamment compacte pour que tous les appareils se trouvent à portée radio d'une passerelle, une solution point à point telle que le module 802.15.4Digi XBee 3 en micro-empreinte convient parfaitement, car elle offre une couverture fiable et sans porteuse à faible coût et avec une faible complexité.
Lisez notre étude de cas sur le système de sécurité de l'eau d'Enolgas pour savoir comment ils ont choisi une méthode de communication sans fil pour leur solution de détection des fuites dans les maisons intelligentes.
Éclairage public municipal
Les lampadaires d'une ville sont généralement espacés d'une trentaine de mètres, et une ville peut en compter des dizaines de milliers. Tout ce qui est municipal est sensible aux coûts. Notre système de surveillance et de contrôle des lampadaires devra donc fonctionner avec un budget serré.
Dans ce cas, une solution comme Digi XBee 3 Zigbee pourrait créer un réseau maillé, transmettant les messages d'un lampadaire à l'autre jusqu'à ce qu'ils atteignent leur destination. Certains lampadaires hébergeraient une passerelle, peut-être une par quartier, pour transmettre les messages de contrôle et d'état dans les deux sens sur Internet ou sur le réseau IP privé de la ville. Les lampadaires disposent de beaucoup d'énergie, ils peuvent donc tous être des nœuds routeurs Zigbee, ce qui signifie que si une unité tombe en panne, le réseau sans fil peut facilement contourner les problèmes, créant ainsi une solution robuste et peu coûteuse.
Lisez notre étude de cas client avec Sicom Electronics pour voir comment ils ont choisi une méthode de communication sans fil pour leur solution d'éclairage urbain intelligent.
Surveillance des appareils d'exercice pour les gymnases
Le contrôle des utilisateurs, l'enregistrement des séances d'entraînement et la surveillance de la maintenance apportent une valeur ajoutée aux membres tout en garantissant que les équipements fonctionnent quand ils en ont besoin. Les machines d'exercice étant généralement très proches les unes des autres et situées à l'intérieur, il s'agit d'une autre opportunité de réseau maillé. Les appareils de musculation ne sont généralement pas équipés d'une alimentation en air conditionné, de sorte que nos modules sans fil fonctionneront sur des piles qu'ils devront économiser.
La communication cellulaire pourrait fonctionner, techniquement, mais les changements fréquents de batterie et le coût généralement plus élevé du cellulaire signifient qu'elle n'est peut-être pas viable économiquement. Une solution d'économie d'énergie comme le DigiMesh deDigi XBee 3 devrait briller ici. Les coûts seront faibles et les cycles de sommeil coordonnés fournis par DigiMesh peuvent aider les batteries à durer plusieurs mois tout en maintenant un réseau auto-réparateur sans câblage et probablement avec une seule passerelle.
Surveillance de la pression artérielle à domicile
Un système fourni par un hôpital pour mesurer la pression artérielle à domicile pourrait ressembler à un projet Zigbee ou même Wi-Fi - des protocoles largement utilisés pour la domotique. Cependant, lorsque la logistique est prise en compte, les choses deviennent plus complexes. Les patients âgés ou en mauvaise santé peuvent ne pas vouloir ou même être incapables de joindre de nouveaux appareils à leur réseau domestique. Dans l'idéal, notre solution permettra de communiquer de n'importe où, sans qu'aucune installation ne soit nécessaire.
Si vous pensez au cellulaire, nous le pensons aussi. Les coûts un peu plus élevés seront compensés par les avantages de l'absence d'installation et de la mobilité totale. La pression artérielle est mesurée rarement, lors de courtes sessions, et la consommation d'énergie plus élevée du cellulaire n'est donc pas un problème. En dehors des mesures quotidiennes, l'appareil sera généralement éteint. Enfin, comme la surveillance à domicile réduit les séjours coûteux à l'hôpital, le coût marginal supplémentaire du cellulaire est comparativement insignifiant. Voilà un excellent exemple de l'importance du contexte dans le choix d'une solution de communication sur IoT .
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