Comment les appareils IoT communiquent-ils ?

Les appareils de l'internet des objets (IoT) communiquent de dizaines de façons différentes, en utilisant des centaines de protocoles différents. En effet, leur mode de communication dépend de ce qu'ils sont, de l'endroit où ils se trouvent, des autres appareils et systèmes avec lesquels ils doivent communiquer et de ce qu'ils ont à dire. Il n'existe pas de meilleur protocole unique, qui est essentiellement le "langage" commun utilisé pour acheminer les messages d'un dispositif IoT à un autre. Le bon choix dépend toujours des besoins spécifiques de l'application.
 
Il y a également des contraintes à prendre en compte. Quel est le budget énergétique de l'appareil ? Quelles sont les limites de coût ? Quelles sont les exigences en matière de taille physique, de sécurité, de délai de mise sur le marché, de régions géographiques et de maintenance à distance ? Dans cet article, nous examinerons les composants intégrés d'un système de communication IoT et nous verrons comment les différents besoins et contextes déterminent la meilleure solution pour chaque cas d'utilisation.

Composants pour la communication des dispositifs IoT

Si les systèmes IoT se déclinent en de nombreuses architectures différentes, la plupart comprennent les composants suivants :

1. IoT tout, du plus petit capteur de température au robot industriel géant
2. Communications locales - la méthode utilisée par l'appareil pour communiquer avec les appareils voisins.
3. Protocole d'application - cadre qui définit la manière dont le contenu de l'information est transporté.
4. Passerelles - traduisent et retransmettent les informations, reliant généralement les réseaux de dispositifs locaux à Internet.
5. Serveurs de réseau - systèmes qui gèrent l'acceptation et la transmission des données IoT , généralement situés à l'intérieur des centres de données en nuage.
6. Applications en nuage - traitent les données de IoT pour en faire des informations utiles, à présenter aux utilisateurs.
7. Interface utilisateur - où les gens voient les informations IoT , les manipulent et renvoient des commandes aux dispositifs IoT .

IoT Dispositifs

Lorsque nous parlons de dispositifs IoT , nous décrivons généralement des choses comme des capteurs environnementaux, des appareils connectés, des traceurs de véhicules ou même des machines de chaîne de montage. Si l'on peut dire qu'un appareil IoT est tout appareil électronique capable de communiquer avec l'internet, il ne s'agit généralement pas de téléphones mobiles ou d'ordinateurs d'usage courant.
 
En général, nous nous concentrons sur les dispositifs ayant un objectif plus restreint, comme le contrôle des lumières de votre maison ou le suivi des niveaux de réservoir pour la fabrication de produits chimiques. À titre d'exemple, le graphique suivant montre la connectivité entre un capteur de réservoir industriel utilisant une Module radio XBee® de Digicommuniquant avec une passerelle qui abrite un Système Digi ConnectCore® sur module (SOM).

 

Connexion des périphériques sans fil

Bon nombre de ces appareils n'ont pas été créés à l'origine avec des capacités Internet et doivent être modifiés avec des solutions après-vente pour être connectés. Cependant, les capacités de IoT sont de plus en plus souvent intégrées dans les nouveaux appareils, ce qui permet de réduire considérablement les coûts et d'améliorer les fonctionnalités.

Bien que les appareils IoT varient en fonction du besoin auquel ils ont été créés, certains composants fondamentaux sont presque toujours inclus. Par exemple :

• Il y a généralement un capteur pour détecter des événements physiques, comme un mouvement ou une fuite d'eau.
• Il peut également y avoir des actionneurs qui créent des changements physiques, comme l'allumage d'une lumière ou la fermeture d'une vanne.
• Ces capteurs et actionneurs sont reliés à un ou plusieurs microprocesseurs qui exécutent la logique qui commande la fonctionnalité de IoT .
• En tant que dispositif connecté, il doit avoir au moins un composant de communication, soit un type de radio, soit une méthode de communication filaire comme Ethernet.
• IoT sont souvent alimentés par des piles, ce qui fait de la gestion de l'alimentation un élément clé lors du choix des équipements, de la conception des fonctionnalités et de l'élaboration des stratégies de communication.

Tous ces composants seront logés dans un certain type de boîtier, souvent assez petit. En fonction de l'environnement, ce boîtier peut devoir être scellé et étanche ou être fortement ventilé pour gérer la chaleur. Comme les dispositifs IoT sont souvent déployés en très grandes quantités, il est essentiel que le coût soit correct. Chaque centime compte lorsque ces centimes sont multipliés par des millions.
 

Méthodes et protocoles de communications locales

Chaque appareil IoT doit communiquer. Certains appareils n'envoient que des informations ; beaucoup d'autres envoient et reçoivent à la fois. Si certaines communications avec des appareils homologues sont directes, les communications à distance doivent souvent passer par une passerelle pour arriver à destination. Quelle que soit la destination des messages du périphérique, chaque voyage commence par une première étape.
 
Le graphique suivant illustre un modèle de communication sans fil et la manière dont chaque "nœud" du réseau sans fil joue un rôle défini. Comme vous pouvez le voir dans cet exemple, appelé "réseau en étoile", un module sans fil intelligent coordonne les communications vers des dispositifs faisant office de routeurs, qui acheminent les communications vers les dispositifs finaux.



Le scénario change pour différentes combinaisons de dispositifs et de protocoles sans fil. Dans le diagramme suivant, vous pouvez voir comment les réseaux peuvent être construits pour se comporter de différentes manières avec l'utilisation de différents protocoles sans fil. Le meilleur protocole dépend d'un certain nombre de facteurs, tels que la distance entre les nœuds de communication sur le réseau.




La première étape ou "saut" de la communication IoT sera soit filaire, soit sans fil. Les connexions câblées peuvent utiliser un simple protocole série, mais le plus souvent, un système de mise en réseau tel qu'Ethernet sera utilisé, permettant des connexions "directes" au protocole Internet (TCP/IP) vers un serveur de réseau ou une application en nuage. Les messages qui transitent sur Internet sont acheminés par de nombreux dispositifs différents, mais en tant qu'architectes de IoT , nous pouvons en toute sécurité faire abstraction de ce processus. Les connexions câblées sont rapides et fiables, mais il est souvent trop coûteux ou peu pratique d'utiliser un câblage physique. Naturellement, pour tout ce qui est mobile, les câbles sont hors de question.
 
Les communications sans fil pour IoT se font presque toujours par radio, et il existe des centaines de protocoles radio parmi lesquels vous pouvez choisir. Plusieurs d'entre eux sont très populaires. Voici un aperçu de haut niveau de certains protocoles de communication populaires :

• Certains appareils utilisent le Wi-Fi, qui présente de nombreux avantages tant que ses besoins en énergie peuvent être satisfaits et que ses besoins complexes en matière de traitement et d'approvisionnement ne constituent pas un obstacle. Le Wi-Fi utilise le protocole TCP/IP en mode natif, de sorte qu'une fois configuré, nous pouvons faire abstraction des complexités de l'Internet lui-même.
• Zigbee et Z-wave sont les grands noms des réseaux domotiques, car ils sont optimisés pour les communications à faible puissance et à faible bande passante, et permettent tous deux aux appareils de la maison de communiquer directement entre eux pour des raisons de rapidité et de sécurité. Aucun des deux ne prend directement en charge le protocole Internet, de sorte que les communications en dehors de la zone locale sont généralement acheminées par une passerelle.
• Le protocole LoRaWAN est de plus en plus populaire pour la faible bande passante IoT également. Il combine une longue portée avec une très faible bande passante, ce qui permet d'atteindre des kilomètres de portée en visibilité directe pour des appareils qui n'ont que de très petites choses à dire.
• Bluetooth et sa sœur BLE à faible consommation d'énergie sont extrêmement populaires pour les dispositifs simples IoT . Ni l'un ni l'autre ne pouvant communiquer sur de très grandes distances, un autre dispositif - souvent un téléphone mobile - sera utilisé pour faciliter la transmission de messages longue distance.
• Les réseaux cellulaires peuvent désormais accueillir facilement les appareils IoT . Les nouveaux protocoles cellulaires comme Cat-M et NB-IoT permettent aux appareils fonctionnant sur batterie de fonctionner pendant des mois sans être rechargés, en échange d'une bande passante très limitée.
• D'autres protocoles comme la 4G LTE et la 5G nécessitent beaucoup plus d'énergie, mais peuvent aussi traiter des données plus lourdes comme la vidéo numérique.
• Il existe également de nombreux protocoles propriétaires et de fabricants uniques adaptés à des besoins de distance uniques, à des exigences particulières en matière de bande passante, à des environnements radio difficiles et, bien sûr, à l'optimisation des coûts. Il n'y a pas de protocole unique qui les gouverne tous. Chaque projet aura sa propre solution optimale.

Les réseaux informatiques sont généralement structurés en couches virtuelles. La couche la plus basse traite de la partie physique, des fils ou des ondes radio. Viennent ensuite les couches qui coordonnent la manière dont les messages sont formés, adressés, acheminés et confirmés. Ces couches intermédiaires sont fascinantes mais dépassent le cadre de cette discussion.

 La couche la plus élevée gère le contenu utile, généralement appelé "application", comme le montre l'illustration de la "Modèle de réseau OSI.” OSI est l'abréviation d'Open Systems Interconnection, et le modèle est un cadre conceptuel décrivant les composants ou les couches des fonctions d'un réseau.

La couche d'application est l'endroit où le véritable travail de IoT est effectué, et cela peut se faire de différentes manières. Le fait de disposer d'un moyen standard de communiquer sur des tâches particulières est extrêmement utile lorsque des appareils de nombreux fabricants différents doivent coopérer pour accomplir leur travail. Certains protocoles sans fil normalisent les messages relatifs à des tâches communes telles que le contrôle de l'éclairage, la sécurité ou la diffusion audio.
 
Zigbee, Bluetooth et Z-Wave comprennent tous des protocoles d'application qui fournissent un langage standard afin que, par exemple, un interrupteur d'éclairage fabriqué par une entreprise puisse allumer trois lampes différentes, toutes fabriquées par d'autres entreprises.
 
D'autres protocoles d'application sont plus génériques. MQTT et CoAP sont tous deux des protocoles d'application très légers qui normalisent les communications entre différents appareils sans restreindre la messagerie à des tâches particulières. En raison de leur légèreté, ils consomment très peu de bande passante et donc très peu d'énergie, ce qui les rend idéaux pour les appareils fonctionnant sur batterie.
 
Les appareils disposant de plus de puissance et de bande passante peuvent utiliser des communications RESTful via HTTP, le protocole du Web. Ce cadre largement mis en œuvre est également indépendant des tâches, mais comme il n'a pas été conçu dans un souci d'efficacité extrême, il peut rapidement épuiser les batteries et la bande passante d'un petit appareil IoT et doit être mis en œuvre avec prudence.

Passerelles

Lorsqu'un appareil n'est pas capable d'exécuter directement le protocole Internet (TCP/IP), il transmet généralement ses messages à un autre appareil appelé passerelle. Cette passerelle traitera et transmettra les messages en provenance et à destination de l'internet.

Lespasserelles permettent aux appareils IoT de rester petits, de fonctionner sur batterie et d'être peu coûteux, car elles gèrent généralement plusieurs appareils comme une station de base locale. Voici, par exemple, quelques scénarios concrets :

• Les dispositifs portables fonctionnant avec Bluetooth/BLE utilisent souvent un téléphone mobile comme passerelle vers l'internet. Cela fonctionne bien tant que le téléphone et les appareils sont proches les uns des autres.
• Les protocoles domotiques tels que Zigbee, Z-Wave et LoRaWAN ne peuvent pas être gérés directement par un téléphone mobile, et cela n'aurait aucun sens puisque les téléphones mobiles ne restent pas dans un endroit fixe. Ces protocoles, ainsi que les protocoles propriétaires, utilisent généralement un boîtier passerelle branché sur une prise murale et sur un réseau Ethernet, Wi-Fi ou cellulaire. Ils reçoivent des informations de dispositifs utilisant leur protocole natif, comme Zigbee, traitent ce qu'ils reçoivent, puis le transmettent sur l'internet.
• Les environnements industriels, tels que les champs solaires et les parcs éoliens, nécessitent une passerelle industrielle durcie pour acheminer les communications des appareils distribués sur le réseau de dispositifs distants, comme le montre l'illustration suivante.

 Ce processus de passerelle "multi-sauts" permet à des appareils aux capacités limitées de se connecter à des sites éloignés, en utilisant souvent une séquence de protocoles différents pour effectuer le travail. Les passerelles utilisent généralement des protocoles d'application tels que MQTT, REST ou CoAP pour se connecter à un serveur de réseau ou à une application en nuage qui se trouve généralement dans un centre de données distant.

Serveurs réseau et applications en nuage

La plupart des communications sur IoT sont initialement acceptées et traitées par un certain type de serveur réseau. Certains protocoles l'exigent pour effectuer un travail de bas niveau comme la déduplication des messages redondants et la conversion des formats de protocole spéciaux. Même lorsqu'un protocole ne nécessite pas de traitement supplémentaire, il est extrêmement utile de disposer d'un système qui ne se contente pas de gérer les communications, mais qui peut aussi configurer et sécuriser les dispositifs eux-mêmes et établir des rapports à leur sujet.
 







Digi Remote Manager® est un leader dans ce domaine, qui s'attache à offrir la meilleure expérience du cloud aux utilisateurs des modules, passerelles et routeurs de Digi. D'autres services comme AWS et Azure offrent IoT traitement des données avec une gestion plus générique des appareils, et ces systèmes peuvent collaborer ensemble pour fournir des solutions personnalisées.
 
Une fois que le serveur de réseau a fait son travail, les données sont généralement échangées avec une application en nuage qui finira de transformer les données IoT en informations utiles, les proposera aux utilisateurs humains et les stockera pour une analyse ultérieure. Les applications en nuage s'exécutent souvent aux côtés d'autres services réseau sur des plateformes comme AWS ou Azure. Elles sont généralement créées à l'aide de langages tels que Node.js, Python ou Java, et liées à une base de données SQL ou NoSQL capable de gérer l'avalanche de données provenant des flottes de dispositifs IoT .
 
Un grand centre de données n'est pas nécessaire pour tous les systèmes. Même un petit ordinateur de loisir comme le Raspberry Pi peut faire la plupart des choses que les géants du cloud proposent, bien qu'à une échelle nettement limitée. Un réseau vivant comporte de nombreux composants interdépendants qui veillent à ce que les données soient acheminées là où elles doivent aller, au moment où elles doivent y arriver.

• Les serveurs en nuage terminent le processus de transformation des données - des faits bruts sur le monde - en informations utiles.
• Les impulsions des compteurs électriques sont transformées en décisions concernant la mise en service de centrales électriques.
• Les relevés de température sont transformés en prévisions météorologiques. Les informations circulant dans les deux sens, les serveurs en nuage gèrent également les commandes sortantes qui contrôlent tout, des feux de signalisation aux mangeoires des poulaillers.

Même avec toute cette technologie en place, l'interaction humaine est toujours nécessaire. L'une des tâches essentielles des serveurs en nuage consiste donc à fournir l'interface utilisateur qui permet aux gens d'entrer dans la boucle.
 

Interface utilisateur

Les interfaces utilisateurs constituent la dernière étape de la chaîne de communication IoT . Elles constituent également la première étape de la chaîne des commandes qui circuleront dans le système pour être exécutées par un ou plusieurs dispositifs IoT . Il existe de nombreux types d'interface utilisateur et une solution IoT en prend souvent plusieurs en charge.

Les humains peuvent interagir avec le système par l'intermédiaire d'un site web, d'une application mobile pour smartphone, d'une application de bureau spéciale ou indirectement par l'intermédiaire d'une intégration API avec des services d'entreprise tels que Salesforce. Toutes les interactions ne se font pas à distance. Certains dispositifs IoT sont conçus pour permettre un accès et une configuration directs, que ce soit par l'intermédiaire d'un écran tactile embarqué ou même simplement de quelques interrupteurs. Quelle que soit la méthode, l'interface utilisateur est le point de rencontre entre le caoutchouc et la route. C'est là que les gens exploitent toute la valeur de leurs systèmes IoT et des informations qu'ils créent.
 

Exemple d'interrupteur d'éclairage

Voici un exemple simple d'un système domotique qui utilise tous ces composants. Un propriétaire souhaite commander la lampe de sa salle à manger à l'aide d'un interrupteur local, tout en ayant la possibilité d'allumer et d'éteindre les lumières à distance. Il choisit un système qui comprend un interrupteur mural IoT alimenté par des piles. Il communique directement avec les lampes à l'aide du protocole sans fil Zigbee.
 
Ce protocole comprend un langage spécialement conçu pour l'éclairage. Comme Zigbee est un protocole à faible bande passante qui ne consomme pas beaucoup d'énergie, sa portée est également limitée. Par conséquent, pour un accès à distance, le système est livré avec une petite passerelle. Cette passerelle traduit les messages Zigbee en protocole d'application MQTT et les transmet à un réseau et à un serveur en nuage qui exécute l'application du système domotique. Cette application en nuage communique en retour avec une application mobile utilisée par le propriétaire. Qu'il soit chez lui ou sur un tout autre continent, il peut voir l'état actuel de l'éclairage de sa salle à manger et le contrôler instantanément.



Vous pouvez en savoir plus sur Zigbee sur le site de la Réseau maillé Zigbee page. Zigbee est l'un des nombreux protocoles pris en charge par Digi XBee modules radio. Digi produit une gamme complète de modules radio, de kits de développement IoT , de passerelles, de routeurs cellulaires et de gestion à distance IoT . Lorsque vous êtes prêt à concevoir votre propre système, Digi offre Services de conception sans fil qui peut vous aider à faire les bons choix pour garantir le succès des communications sur IoT .
 
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