IoT Architecture : Considérations relatives à la topologie et au calcul en périphérie

Les projets d'Internet des objets (IoT) peuvent être complexes, car il y a de nombreuses décisions à prendre. Pour tout projet IoT , vous devez acquérir des dispositifs de communication tels que des radios et des passerelles, connecter ces dispositifs à l'aide d'une ou plusieurs méthodes et protocoles de connexion, et vous assurer que les dispositifs fonctionnent comme prévu. De nombreuses décisions doivent être prises en cours de route, notamment la conception de la carte, l'emplacement de l'antenne et l'interconnexion avec d'autres dispositifs. Une architecture IoT est le résultat final de ces décisions. 

Une architecture typique de IoT est une combinaison de dispositifs sans fil, de passerelles intelligentes, de routeurs et de cloud computing. Dans ce blog, nous nous concentrerons sur les protocoles sans fil et les choix de connectivité que vous devez faire pour définir votre stratégie, et nous aborderons les composants physiques en cours de route. 

Évaluation de vos besoins en matière d'architecture IoT

La sélection de la meilleure architecture IoT pour votre nouveau projet implique une évaluation de vos besoins en matière de connectivité, ainsi qu'une évaluation de la technologie disponible et, bien sûr, des ressources nécessaires pour mettre tout cela en place. Pour bon nombre des décisions que vous devez prendre, il n'y a pas de mauvaise ou de bonne réponse, mais il s'agit d'évaluer et de choisir ce qui convient le mieux à votre cas d'utilisation et aux caractéristiques de conception du produit requises.

Par exemple, plusieurs protocoles sans fil peuvent potentiellement fonctionner pour communiquer entre les appareils, mais ils ont chacun des avantages spécifiques et des cas d'utilisation idéaux. Le choix de celui qui conviendra le mieux à votre déploiement dépend de votre scénario unique. Il est donc important de bien comprendre votre projet et les options disponibles.

Chez Digi, nous posons de nombreuses questions et examinons une série d'options lorsque nous travaillons avec nos clients pour les aider à identifier leurs besoins en matière d'architecture IoT . Voici quelques considérations importantes, à un haut niveau, pour vous aider à vous organiser :

• IoT la fonctionnalité de l'architecture :
  • Votre architecture IoT doit-elle recueillir des données, comme dans un réseau de capteurs ?
  • Doit-il inclure la surveillance et les contrôles, comme dans un réseau SCADA ?
  • À quelle fréquence vos appareils devront-ils envoyer des données ?
  • Quelle est la distance entre les appareils et les passerelles ? 
  • À quelle vitesse les données doivent-elles être envoyées des nœuds d'extrémité à une passerelle ?
  • Avez-vous des exigences strictes en matière de délais à respecter ? 
  • Comment vos appareils IoT se connecteront-ils au cloud ?
  • La gestion de l'alimentation est-elle une préoccupation - par exemple dans un réseau étendu ou distant qui serait coûteux ou inefficace si les batteries devaient être fréquemment remplacées ?
• IoT sélection des dispositifs : délai de mise sur le marché et "construire ou acheter" considérations : 
  • Vous devrez sélectionner les périphériques IoT , tels que les radios et les passerelles, qui prennent en charge la fonctionnalité requise pour votre projet.
  • Si le calendrier n'est pas essentiel, vous pouvez peut-être construire votre solution à partir de zéro.
  • Si le délai de mise sur le marché est essentiel, il est préférable de commencer par des modules sans fil préfabriqués et précertifiés et de s'engager éventuellement dans des services d'assistance.
• Gérer vos dispositifs déployés :
  • Déterminez si vous avez besoin d'un protocole qui prend en charge les options over-the-air (OTA) afin de mettre à jour les micrologiciels de tous vos appareils.
  • Si ce n'est pas le cas, déterminez si vous pouvez vous permettre d'utiliser un protocole plus récent qui fera probablement l'objet de mises à jour du micrologiciel pour résoudre les problèmes ou améliorer les fonctionnalités. 
  • Sans les mises à jour OTA des micrologiciels, il est important de prendre en compte le coût des mises à jour manuelles, une par une, ou de l'envoi de "camions" pour mettre à jour les unités sur le terrain.

Toutes ces décisions auront un impact sur la planification, le déploiement et la gestion globale de votre projet et, en fin de compte, sur le coût total de possession. Examinons de plus près certaines de ces considérations.

Considérations relatives à la topologie et à l'informatique de périphérie

Une question clé que de nombreux ingénieurs se posent lorsqu'ils se préparent à concevoir leur réseau IoT est la suivante : " Quelle topologie fonctionnera le mieux pour mon application ? ". Parmi les options possibles, citons les protocoles de réseau maillé, tels que Zigbee ou DigiMesh, ainsi que le point à point ou le point à multipoint. Dans certains cas, la topologie la plus judicieuse est évidente sur la base des questions fournies précédemment. Dans d'autres cas, cela peut nécessiter des recherches et des tests supplémentaires.

Dans les sections suivantes, nous examinerons certains des éléments à prendre en compte pour déterminer la topologie la mieux adaptée à vos besoins.

Réseau maillé 

Les ingénieurs réseau ont souvent de l'expérience avec une topologie particulière et peuvent supposer qu'elle peut être utilisée dans n'importe quel contexte, mais parfois un autre choix serait plus optimal pour un cas d'utilisation différent. Pour déterminer si une topologie de réseau maillé est un bon choix pour votre application, il est important de comprendre les avantages et les inconvénients de cette stratégie.

Les exigences en matière de synchronisation de votre système constituent un facteur critique à analyser. Les topologies de réseau maillé acheminent les données d'un nœud à l'autre à travers un réseau qui est architecturé en maillage. Il faut donc tenir compte des "sauts" en raison de la latence supplémentaire. Avez-vous besoin de récupérer les données en 100 mS ou pouvez-vous vous contenter d'une fois par seconde ?

En fin de compte, c'est vous qui décidez, mais avoir des options pour différentes topologies peut faire la différence dans le succès d'un déploiement sans fil. Votre équipe Digi peut vous aider à évaluer ces compromis.

Caractéristiques des réseaux maillés :

• Le réseau maillé présente l'avantage de supporter un nombre élevé de nœuds dans un réseau - dans certains cas jusqu'à un millier selon l'architecture. 
• Les données trouvent intelligemment leur chemin de nœud en nœud jusqu'à une passerelle. 
• Si un nœud disparaît dans un réseau, celui-ci redécouvre un nouveau chemin pour que les données parviennent à la passerelle. 
• Si un nœud est ajouté à un réseau, une fois qu'il est découvert, le réseau peut acheminer les données par le nœud ajouté. 
• Le réseau maillé assure la redondance en autorisant plusieurs chemins d'accès d'un nœud ou d'un dispositif à une passerelle et offre la souplesse nécessaire pour s'adapter aux changements de conditions. 
• Des sous-réseaux peuvent également être établis pour séparer les données des réseaux adjacents. Il s'agit d'une fonctionnalité absolument formidable lorsque vous disposez d'un réseau dense comportant des milliers de nœuds, comme une ferme solaire ou une application d'éclairage intelligent, et que la latence n'est pas un problème.  

Les réseaux maillés sont disponibles sous forme de normes, comme Zigbee, et aussi de réseaux peer-to-peer comme DigiMesh, et Digi prend en charge ces deux protocoles. 

Principaux différentiateurs entre Zigbee et DigiMesh :

• Zigbee se trouve généralement sur la fréquence de 2,4 GHz alors que DigiMesh peut fonctionner sur des modules XBee de 2,4 GHz ainsi que sur des modules XBee de 900 MHz et 868 MHz. 
• Zigbee a des nœuds finaux, des routeurs et des coordinateurs qui représentent les dispositifs finaux, les répéteurs et les passerelles. 
• DigiMesh est un réseau maillé peer-to-peer qui offre également l'auto-réparation, le fonctionnement en réseau dense, l'extension de la durée de vie de la batterie via les modes de veille, ainsi qu'une installation et une configuration faciles.

Pour comprendre les compromis et identifier le bon protocole pour votre cas d'utilisation, vous pouvez comparer les avantages et les inconvénients de Zigbee et de DigiMesh dans notre article de blog connexe. Pour une compréhension plus approfondie, consultez le livre blanc Zigbee vs DigiMesh.

Point-à-Point ou Point-à-Multipoint

Les protocoles sans fil point à point (PTP) et point à multipoint (PTMP) sont des topologies utilisées pour la connectivité dans un large éventail d'applications, comme les cas d'utilisation où vous souhaitez remplacer les câbles par une communication sans fil. Ces protocoles permettent de communiquer entre deux appareils (point à point) ou d'un appareil à plusieurs (point à multipoint).

Il y a quelques facteurs à prendre en compte, comme la distance, la synchronisation et la puissance de la batterie, qui peuvent indiquer si un réseau PTP est nécessaire par rapport à un réseau maillé.

Voici quelques points saillants des protocoles PTP et PTMP : 

• Si vous avez besoin d'une liaison sans fil pour plusieurs appareils situés à un ou deux kilomètres de distance et que vous disposez d'une bonne ligne de vue, le protocole PTP peut être la solution la plus simple. 
• PTP ou PTMP peuvent être efficaces pour les applications fonctionnant sur batterie. Les données peuvent être envoyées lorsque cela est nécessaire, puis les modes de veille peuvent être activés en fonction de vos besoins de communication. Il n'est pas rare que vos batteries durent plusieurs années dans des applications de type PTP/PTMP.
• En revanche, un réseau maillé ajoute de la latence et est plus gourmand en énergie puisqu'il faut un routeur ou un répéteur alimenté par le secteur.

Par conséquent, si votre réseau est relativement petit et que la portée est claire, PTP/PTMP présente de nombreux avantages par rapport à un réseau maillé.
 

Un autre avantage des réseaux PTP et PTMP est qu'ils sont très simples et rapides à mettre en place. Ils fonctionnent bien avec les protocoles qui ont des exigences strictes en matière de synchronisation, comme Modbus. 

Connectivité directe avec le cellulaire, le Wi-Fi et le Bluetooth

Outre les architectures IoT que nous avons évoquées, vous pouvez également connecter directement les appareils au cloud via le Wi-Fi et le cellulaire lorsque les circonstances le justifient. Chaque stratégie présente des avantages et des inconvénients.

Le Wi-Fi est probablement le protocole le plus omniprésent qui existe. Toutefois, il est important de tenir compte de la disponibilité de l'Internet sur le site du client, ainsi que de ses politiques de sécurité. Obtenir l'autorisation pour vos appareils IoT de se connecter sur le réseau Wi-Fi d'un client n'est pas toujours un processus rapide. Elle peut nécessiter un examen de sécurité supplémentaire et, dans certains cas, elle est tout simplement impossible en raison des politiques d'entreprise du client. 

Dans les applications résidentielles, travailler avec des centaines de points d'accès sans fil différents et des niveaux variables de compétences des clients en matière de Wi-Fi peut également constituer un défi. 

Considérations importantes pour les applications cellulaires :

• Avec la connectivité utilisant des radios cellulaires, vous devez vous assurer que vous avez accès à un réseau cellulaire, ce qui est généralement disponible dans la plupart des environnements urbains, mais peut être un défi dans les zones plus rurales. 
• Vous devrez prendre en compte les débits de données et vous assurer que vous envoyez les données vers le cloud aux vitesses requises par votre application. Les protocoles LTE-M et LTE Cat-1 sont parfaits pour la plupart des applications IoT qui envoient des données de capteurs vers le cloud. 
• Les activations, les plans de données, la gestion des cartes SIM et la gestion à distance des appareils doivent également être pris en compte, car il y a plus de pièces mobiles impliquées dans le maintien d'une connexion cellulaire pour les appareils IoT . 

Un exemple est la collaboration avec un opérateur comme Verizon ou AT&T. Si vous êtes une jeune entreprise ou si vous lancez votre premier projet cellulaire IoT , il peut être parfois frustrant de travailler directement avec un opérateur comme Verizon ou AT&T. Travailler avec un MVNO (opérateur de réseau mobile virtuel) peut être plus efficace et vous aider à lancer votre projet IoT en temps voulu. Digi propose également des plans, des cartes SIM et des outils de gestion à distance(Digi Remote Manager®) pour vous aider à commercialiser rapidement votre projet.
 

Une autre tendance du site IoT est la prise en charge d'une double radio sur un module, comme les produits XBee 3 de Digi. Vous avez un protocole sans fil principal, tel que LTE-M, Cat-1, Zigbee ou 802.15.4, ainsi qu'une liaison Bluetooth intégrée pour la configuration et la gestion.

Imaginez que vous vous approchiez d'un appareil sur le terrain et qu'au lieu d'y connecter des câbles pour le configurer ou le dépanner, vous utilisiez une liaison Bluetooth avec une application sur votre téléphone portable. La mise en service des appareils devient ainsi un jeu d'enfant par rapport au transport d'un ordinateur et de câbles pour effectuer la configuration.  

Réseautage sans rendez-vous

Les réseaux sans fil peuvent être mis en place dans une variété de topologies et de configurations. Par exemple, la connexion de capteurs ou de dispositifs distants via une liaison sans fil à une passerelle intelligente offrant des options de transmission de données via des réseaux cellulaires, Wi-Fi ou Ethernet a fait ses preuves. Les données sont recueillies à partir du dispositif ou du capteur distant, puis envoyées via une liaison sans fil à une passerelle intelligente. La passerelle transmet ensuite les données au nuage pour analyse ou contrôle. 

Un réseau "drop-in" est la création d'un réseau spécifique à votre application. Dans un environnement SCADA ou de télémétrie, on introduit une passerelle dotée d'une capacité de liaison de retour ainsi que de la possibilité de se connecter à des nœuds RF distants pour envoyer des données dans les deux sens. 

Dans certaines applications de mise en réseau de type "drop-in", un routeur cellulaire connecté à des appareils peut être tout ce dont vous avez besoin. Par exemple, un kiosque ou un terminal de point de vente dans un magasin de détail qui utilise la connectivité cellulaire pour traiter les transactions.

Un autre avantage d'un réseau d'accès direct est que vous n'avez pas à compter sur un réseau existant ou à demander l'autorisation de le rejoindre. Souvent, obtenir l'autorisation de rejoindre le réseau Wi-Fi d'un client peut prendre plus de temps que la conception et le déploiement de votre propre réseau. La création d'un réseau "drop-in" vous donne la possibilité de décider de la topologie la plus adaptée entre le maillage, le point-à-point et le point-à-multipoint, et vous donne ensuite la possibilité de contrôler tous les aspects du réseau.  

Les réseaux maillés avec des milliers de nœuds communiquant fréquemment avec une passerelle sont parfaits pour des applications telles que les champs solaires et l'éclairage public. L'utilisation d'une radio 900 MHz longue portée dans une application PTP ou PTMP avec une topologie de réseau " drop-in " peut vous aider à couvrir des dispositifs répartis sur de grandes distances, comme dans un champ de pétrole ou dans un environnement agricole.

Les modules cellulaires Digi XBee 3 vous permettent également de contourner la topologie traditionnelle de la passerelle en envoyant des données directement de votre appareil au nuage, mais cela nécessite un plan de données pour chaque modem cellulaire Digi XBee® 3 mis en œuvre dans la solution. Heureusement, les coûts des plans de données ont considérablement baissé au fil du temps et les opérateurs développent des plans de données cellulaires innovants tels que les plans cellulaires groupés ou étagés. Digi peut vous aider à déterminer la meilleure solution pour votre application.

Edge Intelligence

L'intelligence à la périphérie est l'une des dernières tendances du site IoT . Informatique de pointe contribue à rendre une solution plus efficace et à réduire la latence lors de l'envoi de données d'un grand nombre de dispositifs vers le cloud. Au lieu d'envoyer toutes vos données vers le cloud pour analyse et action, les décisions et le traitement des données peuvent se faire à la périphérie. Cela réduit le trafic sur le réseau et permet des gains supplémentaires en termes de performances.

La durée de vie de la batterie est également un facteur critique pour les capteurs déployés à distance. Plus vous transmettez de données sur le réseau, plus vous sollicitez votre batterie. Il est donc important de réfléchir à la fréquence à laquelle vous avez besoin que vos appareils produisent des rapports, et de personnaliser la connectivité de votre module pour obtenir des performances optimales.

L'intelligence à la périphérie peut aider les nœuds de capteurs distants à savoir quand envoyer des données en fonction de changements conditionnels, réduisant ainsi la consommation de courant de transmission coûteuse et, dans le cas des téléphones cellulaires, les frais de données.

MicroPython sur un module Digi XBee permet aux ingénieurs de créer l'intelligence périphérique qui permet, entre autres, d'optimiser la durée de vie des batteries. Par exemple, si la lecture d'un capteur ne change pas, le dispositif périphérique n'a pas besoin d'envoyer de données et peut économiser la batterie en restant en mode veille.

L'informatique de périphérie permet également aux dispositifs finaux de prendre des décisions conditionnelles au lieu de demander des commandes à la passerelle, un peu comme un enfant qui demande constamment à ses parents la permission de faire quelque chose. Pour pousser l'analogie plus loin, si vous ne voulez pas que l'enfant demande la permission pour tout, vous pouvez ajouter une certaine intelligence à l'appareil pour qu'il prenne en charge les processus non critiques.

Passerelles intelligentes

Les données circulent entre les appareils et une passerelle dans de nombreux types d'applications IoT . Par exemple, lorsque des données de capteurs arrivent et sont transférées vers le cloud, des passerelles intelligentes telles que Passerelle industrielle Digi XBee peut agréger des données et agir sur des données de capteur spécifiques, ce qui permet d'optimiser la communication avec le nuage.

Cette intelligence est particulièrement précieuse lorsque la liaison de retour cellulaire est impliquée (c'est-à-dire les plans de données et les coûts avec un opérateur). Les passerelles dotées de langages programmables, comme Python, donnent aux utilisateurs la possibilité d'ajouter une certaine intelligence à la passerelle pour gérer les données plus efficacement. Au lieu de faire passer les données par la passerelle via le protocole de liaison par défaut, vous pouvez optimiser votre solution via le code Python. Cela peut vous aider à éviter d'envoyer beaucoup de données, à réduire les frais de données cellulaires et à agir rapidement lorsque des seuils sont définis pour vous avertir d'événements spécifiques. 

Le fait de disposer d'autres options de communication de backhaul dans une passerelle, comme le Wi-Fi et l'Ethernet, est également très utile pour les applications IoT . Lorsqu'un réseau local est disponible, la passerelle peut être connectée pour éviter les frais de téléphonie mobile. Toutefois, lorsque seule la couverture cellulaire est disponible, le fait de disposer d'options pour différents opérateurs, tant nationaux qu'internationaux, peut faciliter les déploiements à l'échelle mondiale. Les outils de gestion des passerelles déployées pour le diagnostic et le dépannage, ainsi que les capacités de mise à jour à distance du micrologiciel sont indispensables pour les applications IoT .

IoT Sécurité

La sécurité est un autre aspect de votre solution IoT à prendre en compte lorsque vous évaluez les composants de votre architecture IoT . Si le cryptage des paquets est la base de la plupart des systèmes de sécurité embarqués, avez-vous pensé au démarrage sécurisé, à la protection des ports matériels, à l'authentification et aux connexions sécurisées ?

Chaque concepteur de IoT doit prendre en compte les mesures de sécurité disponibles avec le matériel et les logiciels de son dispositif IoT , et évaluer les techniques de sécurité dès le début du projet IoT pour atténuer les risques et garantir le succès. Par exemple, les modules Digi XBee utilisent des sessions sécurisées et intègrent le cadre de sécurité Digi Trustfence®.   

Ressources pour le prototypage, les essais et le développement

Il y a beaucoup de choses à prendre en compte lorsque vous planifiez l'architecture de votre site IoT . Heureusement, il existe des ressources pour vous aider.

Kits de développement pour le prototypage et les essais

IoT kits de développement peuvent être essentiels pour tester les fonctionnalités. En général, les kits de développement sont moins coûteux et contiennent tout le matériel nécessaire pour analyser différents types de réseaux sans fil. Il n'est pas rare d'effectuer des tests avec plusieurs kits de développement différents pour déterminer celui qui est le plus performant pour votre application. L'autre grand avantage des kits de développement est que vous pouvez les trouver facilement chez des distributeurs comme Digi-Key ou Mouser et qu'ils peuvent littéralement être testés en laboratoire un jour après leur commande.

IoT permettent aux étudiants, aux fabricants et aux ingénieurs de réaliser facilement le prototype d'une solution sans fil IoT , rapidement et à un prix abordable.

IoT Outils de développement

Pour les développeurs qui conçoivent des applications avec les modules Digi XBee , Digi offre une suite d'outils primés : Digi XBee Tools. La suite comprend du matériel et des logiciels conçus pour aider les équipes à développer, construire, déployer et gérer rapidement les applications IoT . 

Digi fournit également des tutoriels et des vidéos pour aider les développeurs à prototyper et à tester leurs conceptions. Voir notre article de blog, Digi XBee Tutoriels et ressources pour le développement d'applications sans filqui fournit un répertoire de ces ressources. 
 

Services d'appui pour le prototypage et le développement de produits

Le recours à des services spécialisés dans le prototypage, les essais et d'autres aspects des projets IoT peut accélérer rapidement votre projet dans sa phase de conception, voire de développement. Par exemple, Digi Wireless Design Services offre un soutien complet aux projets IoT , de l'idéation au développement complet et aux services de certification.

Bien que vous puissiez faire beaucoup de choses par vous-même, une étude du site où vous prévoyez de vous déployer peut vous aider à éviter des problèmes qui n'avaient pas été prévus en laboratoire. La plupart des applications du monde réel ne se trouvent pas dans les conditions RF les plus idéales. Des obstacles tels que des bâtiments, des murs, des arbres et d'autres structures peuvent facilement perturber un réseau sans fil. Une étude du site peut vous aider à déterminer quelles antennes seraient les meilleures (ou si vous avez besoin d'une antenne personnalisée), à quoi ressemble le plancher de bruit (ou les sources potentielles d'interférences RF) et s'il y a des problèmes que vous n'aviez pas prévus lors du développement de votre solution.

Combinez une étude du site avec une formation pour vos techniciens qui effectueront les installations et vous aurez une longueur d'avance.

Autres considérations sur l'architecture de IoT

Il existe d'autres aspects de la partie sans fil de votre solution IoT qui doivent également être pris en considération. Certains d'entre eux peuvent sembler insignifiants au premier abord, mais s'ils ne sont pas pris en compte lors des étapes de planification de votre projet IoT , une rotation de la carte ou un temps supplémentaire pour les mises à jour du micrologiciel pourraient être nécessaires.

Voici quelques-unes de ces considérations :

• Avez-vous besoin d'un service GPS/GNSS pour les appareils que vous surveillez ? Et le GPS peut-il être intégré au modem cellulaire que vous avez choisi ou est-il préférable d'avoir un modem GPS distinct sur votre carte ? (Voir notre article de blog, Geo IoT: Ajouter rapidement et facilement des services de localisation GPS à votre application IoT ).
• Voulez-vous déployer votre solution dans une seule région, comme l'Amérique du Nord, ou bien sera-t-elle utilisée dans le monde entier ? Cela a des répercussions sur les références des produits que vous devez sélectionner sur le site IoT , ainsi que sur les certifications requises et les coûts associés. (Voir notre article de blog, Going Global with Your Cellular Deployment).
• Une fois les appareils déployés sur le terrain, quel est votre plan pour gérer les mises à jour des micrologiciels, les diagnostics à distance ou le dépannage ? (Voir notre article de blog, Qu'est-ce que la gestion des appareils IoT ?) 
• Votre solution sera-t-elle exposée à des températures élevées ou basses ? Si oui, quelles parties de votre solution limiteront le fonctionnement en fonction des températures ? 

Travailler avec le bon partenaire et la bonne solution peut vous aider à garantir le succès de votre solution et un retour sur investissement rapide. Digi est un fournisseur de solutions IoT de bout en bout, offrant du matériel, des logiciels, des outils, des solutions de sécurité et des services intégrés pour le prototypage, le développement et le déploiement.
 

Résumé

Un déploiement réussi de IoT peut nécessiter une bonne dose de recherche, de planification, de tests et, souvent, de conseils et d'externalisation. Prenez le temps de peser vos choix et n'ayez pas peur de tester quelques kits de développement avant de vous engager dans une architecture IoT . Prendre le temps d'étudier et de comprendre les alternatives au début de votre projet peut vous faire gagner du temps, de l'argent et des maux de tête.

Digi peut vous aider à identifier les bons protocoles, le matériel RF, les logiciels et les services professionnels. Contactez-nous pour entamer la conversation.