Les technologies de réseau IoT ont complètement changé la façon dont nous nous connectons et interagissons à l’ère du monde numérique.! Aujourd'hui, les protocoles sans fil et les normes de communication jouent un rôle important dans presque tous les aspects des déploiements IoT, allant des villes intelligentes, véhicules connectés, surveillance de l'environnement et bien d'autres encore. Selon IoT Analytics, le marché mondial des appareils IoT connectés pourrait atteindre 18.8 milliard unités à la fin de 2024, une croissance de 13% de 2023. pendant ce temps, alors que le nombre d’appareils connectés explose, il n'y a jamais eu autant besoin de robustesse, technologies de communication évolutives et efficaces. Dans ce poste, nous examinons certains des protocoles largement utilisés pour les communications IoT. J'espère que vous comprendrez mieux les principales solutions de mise en réseau IoT avant de faire des choix..
Quoi est le réseau IoT
La mise en réseau IoT fait référence à la manière dont les appareils IoT se connectent et communiquent entre eux et avec les systèmes centraux.. Cela crée un écosystème autonome d'appareils intelligents travaillant ensemble.
Typiquement, un écosystème IoT se compose de quatre couches principales: dispositifs, Les données, technologies de connectivité, et les utilisateurs. Comme vous pouvez le constater, ces couches constituent les éléments constitutifs d'un réseau IoT., et l'architecture du réseau est l'épine dorsale qui permet une communication efficace entre tous les éléments.
Il n’est pas surprenant que les réseaux IoT doivent disposer d’une technologie de communication robuste permettant une connectivité transparente entre les appareils.. Ces protocoles réseau ont le même objectif que le langage dans la communication humaine.. Fondamentalement, ils sont conçus spécifiquement pour les exigences uniques des appareils IoT. Il y a des considérations particulières en termes de consommation d'énergie, gamme, largeur de bande, et densité des appareils. Compte tenu de ces exigences, un aspect majeur de la planification d'un projet IoT consiste à choisir le bon protocole IoT.
Dans les articles précédents, nous avons discuté de certains protocoles réseau et de leurs applications appropriées. Ici, nous répertorions quelques technologies sans fil à courte et longue portée largement utilisées pour la référence de votre projet IoT.
Principales technologies de réseau IoT à courte portée
La technologie de communication sans fil à courte portée fait référence à la technologie qui réalise une transmission sans fil sur de courtes distances.. Typiquement, leur portée de transmission est comprise entre des dizaines de mètres ou des centaines de mètres. Les exemples courants incluent Bluetooth, Wifi, Zigbee, UWB, NFC et RFID (pas d'introduction détaillée ici).
Bluetooth et BLE
Bluetooth est l'une des technologies sans fil à courte portée les plus courantes. Des écouteurs sans fil aux systèmes de voiture, montres intelligentes et trackers de fitness, on voit du Bluetooth partout.
Le dernier Norme Bluetooth est Bluetooth 6.0, qui est sorti en septembre 2024 et a apporté de nouvelles fonctionnalités telles que la détection des canaux Bluetooth. toutefois, la norme actuelle largement utilisée est Bluetooth 4.0, 5.0 et ci-dessus. Le Bluetooth 5.0 offre des vitesses de transmission allant jusqu'à 2 Mbit/s alors que 4.2 offert jusqu'à 1Mbit/s.
Pour remédier à la faiblesse du Bluetooth en matière de consommation électrique, Bluetooth Low Energy (EST DEVENU) a été présenté. Le développement de ce protocole a été couronné de succès et a été largement adopté dans le monde entier.. L'une des principales raisons est que cela maintient la compatibilité avec les appareils Bluetooth existants tout en offrant une consommation d'énergie considérablement réduite..
Nous devons comprendre que Bluetooth Low Energy est spécifiquement conçu pour les appareils à faible consommation utilisés dans l'Internet des objets.. Il ne reprend ni ne remplace le Classic Bluetooth existant.. BLE utilise la même bande ISM 2,4 GHz que Bluetooth. Contrairement au Bluetooth classique qui prend en charge jusqu'à 7 appareils connectés à un seul appareil maître, BLE permet jusqu'à 128 dispositifs. Utilisations du BLE 40, 2 Canaux larges MHz et utilise un algorithme de saut de fréquence adaptatif pour optimiser les performances et minimiser les interférences.
Wifi
Comptes Wi-Fi pour 31% du total des connexions IoT. Ici, nous discuterons de la radio WiFi traditionnelle, ainsi que le WiFi HaLow (802.11ah), qui est spécialement conçu pour les applications IoT à longue portée et à faible consommation.
Wifi 6 utilise les mêmes bandes ISM 2,4 GHz et 5 GHz que les autres protocoles sans fil, avec 6E ajoutant la prise en charge de la bande 6 GHz. La portée varie considérablement de 10 m en intérieur à plus de 100 m en extérieur, en fonction des facteurs environnementaux et de la puissance de transmission. Contrairement à l'architecture point à point de Bluetooth, Le WiFi suit une topologie de réseau en étoile, où les appareils se connectent via un point d'accès central (routeur).
Wi-Fi 6/6E (802.11hache) sorti en 2021 est la norme populaire actuellement utilisée. Du côté de la vitesse, ça peut atteindre jusqu'à 9.6 Gbit/s – plus rapide que le WiFi 5 (802.11ca) qui a culminé à 3.5 Gbit/s. Il y a de fortes chances que vous ayez vu des appareils avec des normes plus anciennes, 802.11ac/n/g.. En raison de la rétrocompatibilité du WiFi, ces anciens appareils peuvent toujours fonctionner avec les nouveaux appareils standards. Les dernières normes WiFi offrent une portée plus longue que les anciennes..
WiFi HaLow fonctionne en dessous de 1 GHz. Il offre une meilleure pénétration dans les murs et des portées plus longues (jusqu'à 1 km) tout en réduisant la puissance. Néanmoins, la technologie n'a pas été largement adoptée dans l'industrie comme nous l'avons vu dans Bluetooth LE.
Une chose importante à noter est que le WiFi prend en charge des centaines de connexions simultanées à un seul point d'accès., bien que des limitations pratiques réduisent souvent ce nombre en fonction de la configuration du réseau.
ZigBee
ZigBee est un système à faible coût, norme de communication sans fil de faible puissance conçue pour les réseaux personnels. Il a été spécifiquement développé pour les applications industrielles et domotiques. Zigbee n'est peut-être pas aussi omniprésent que le WiFi, mais cela devient de plus en plus courant dans la maison intelligente : les ampoules, thermostats et capteurs de sécurité parmi eux.
Il est né en 2002, quand l'Alliance ZigBee (maintenant Alliance des normes de connectivité) a été formé. Maintenant, il y a de grandes organisations comme Philips, Texas Instruments, Samsung, et Amazon pour faire évoluer le protocole ZigBee.
Pour être honnête, ZigBee a été spécialement conçu pour l'automatisation, avec une configuration et une connectivité faciles de l'appareil, faible consommation d'énergie pour une longue durée de vie de la batterie, et une sécurité très forte.
L'architecture est construite au-dessus du 802.15.4 la norme. La meilleure partie de ZigBee est qu'il s'agit d'un protocole ouvert qui peut prendre en charge jusqu'à 65,000 nœuds dans un seul réseau. ZigBee se distingue particulièrement par ses capacités de réseau maillé.
Le protocole ZigBee définit trois types clés d'appareils dans le réseau:
- Coordonnateurs (un seul dans n'importe quel réseau ZigBee)
- Routeurs (intermédiaire pour transmettre des données)
- Appareils terminaux ZigBee (Parlez uniquement au nœud parent, principalement en mode veille)
Texas Instruments et Silicon Labs sont les principaux fournisseurs de puces ZigBee.
UWB
UWB (Bande ultra-large) est l'un des protocoles de communication émergents. Vous ne l’avez probablement pas encore vu sur de nombreux appareils, mais il est rapidement adopté. Du smartphone aux clés de voiture, appareils domestiques intelligents aux environnements industriels, nous voyons l'UWB apparaître de plus en plus dans la technologie moderne.
Comme d'autres technologies radio, UWB fonctionne dans un spectre défini, mais contrairement aux systèmes à bande étroite, il répartit la transmission sur une large gamme de fréquences allant de 3.1 GHz en 10.6 GHz. Il a une gamme typique de 1-50 mètres, et fonctionne mieux en visibilité directe entre les appareils ou les ancrages.
L'Ultra Wideband utilise des canaux d'au moins 500 MHz de large par rapport aux canaux Bluetooth de 1 MHz ou 2 MHz.. UWB utilise également une transmission d'impulsions ultra-courtes, ce qui lui confère une précision de positionnement supérieure à celle des systèmes à bande étroite.
La densité spectrale de puissance maximale pour la transmission UWB est 41.3 dBm/MHz. Cela équivaut à environ 0.5 mW de puissance d'émission moyenne. Il permet de minimiser les interférences avec les systèmes à bande étroite existants comme le WiFi ou le Bluetooth.. La faible consommation rend également l'UWB sécurisé. Les signaux sont difficiles à intercepter en raison de leur large diffusion de fréquence et de leur faible densité de puissance..
Comparaison des technologies de réseau IoT à courte portée
La technologie | Bluetooth (EST DEVENU) | Wifi | ZigBee | UWB |
Intervalle | 10-100m | 50-100je suis à l'intérieur | 10-100m | 10m |
Débit de données | 1-2 Mbps | Jusqu'à 1 Gbit/s+ | 250 Kbps | Jusqu'à 27 Mbps |
Consommation d'énergie | Très lent | Haute | Très lent | Faible |
Bande de fréquence | 2.4 GHz
|
2.4 GHz, 5 GHz | 2.4 GHz | 3.1-10.6 GHz |
Avantages | – Faible consommation d'énergie
– Largement pris en charge – Facile à mettre en œuvre – À bas prix |
– Débit de données élevé
– Compatibilité universelle – Options de sécurité robustes |
– Faible consommation d'énergie
– Prise en charge d'un grand réseau – Maille auto-cicatrisante |
– Positionnement précis
– Haute sécurité – Immunisé contre les interférences |
Les inconvénients | – Gamme limitée
– Nœuds limités – Interférence potentielle |
– Consommation d'énergie élevée
– Autonomie limitée de la batterie – Encombrement du réseau |
– Faible débit de données
– Courte portée – Mise en œuvre complexe |
– Gamme limitée
– Coût plus élevé – Adoption limitée |
Applications clés | Prêt-à-porter, Maison intelligente, Positionnement intérieur, Suivi des actifs, Point d'intérêt | Automatisation de la maison, Diffusion vidéo, Applications à large bande passante | Automatisation de la maison, Contrôle industriel, Réseaux de capteurs | Positionnement intérieur, Suivi des actifs, Accès sécurisé |
Technologies sans fil IoT longue portée populaires
Nous allons maintenant concentrer notre discussion sur les technologies sans fil longue portée et sur la manière dont l'IoT a bénéficié de ces protocoles.. Ces technologies sont à la base des LPWAN, couvrant des distances de quelques kilomètres à des milliers de kilomètres. Ici, nous présenterons LoRa, Sigfox, et réseaux cellulaires.
LoRa et LoRaWAN
LoRa est un protocole sans fil offrant une longue portée, batterie faible, et transmission sécurisée des données. Il est basé sur une modulation à spectre étalé par chirp, ce qui signifie que vous pouvez communiquer sur de grandes distances sans utiliser trop d'énergie.. Il comble le fossé entre les réseaux locaux sans fil à courte portée comme le Bluetooth et le WiFi., et la portée beaucoup plus longue des réseaux cellulaires.
LoRa et LoRaWAN ont été initialement développés par Cycleo puis acquis par Semtech. Aujourd'hui, l'association à but non lucratif LoRa Alliance le gère. Il n’est pas surprenant qu’elle soit devenue l’une des plus grandes alliances de l’industrie technologique.. LoRa Alliance prend non seulement en charge LoRaWAN, mais promeut également les produits LoRaWAN et l'interopérabilité technologique.
LoRa utilise des bandes RF inférieures au GHz (433MHz, 868MHz pour l'Europe, 923MHz pour l'Asie, 915MHz pour l'Amérique du Nord et l'Australie). Ces bandes de fréquences ISM sont sans licence et disponibles pour nous tous pour les applications IoT. Il a une portée impressionnante de 2 à 5 km en zone urbaine jusqu'à 15 km ou plus en milieu rural..
LoRa représente le protocole de la couche physique (à la première couche du modèle OSI) qui permet une communication à longue portée. Cette couche spécifie comment les bits bruts sont transmis sur une liaison de données physique entre les nœuds du réseau. LoRaWAN, un protocole réseau fonctionnant à la couche trois du modèle OSI, est construit sur LoRa et gère la communication entre les appareils finaux et un serveur réseau central.
Pour répondre à divers cas d’utilisation, LoRaWAN définit trois classes d'appareils: Appareils de classe A (puissance la plus faible, toutes les liaisons montantes sont initiées), Appareils de classe B (créneaux de réception programmés), et appareils de classe C (écoute continue).
Sigfox
Sigfox est une technologie LPWAN pionnière conçue pour les applications IoT qui nécessitent une communication longue portée avec une consommation d'énergie minimale.. Il utilise une bande ultra étroite (UNB) La technologie, avec chaque message occupant seulement un 100 Bande passante Hz.
Le protocole Sigfox fonctionne dans les bandes ISM sans licence (868 MHz en Europe, 915 MHz en Amérique du Nord) et offre des débits de données de seulement 100 ou 600 bits par seconde. Ce taux de transmission lent, combiné à la bande passante étroite, se traduit par une excellente sensibilité et une très faible consommation d’énergie. Les transmissions typiques utilisent environ 20 à 30 mA pendant quelques secondes, offrant une longue durée de vie de la batterie, qui dure souvent des années avec une seule batterie. Il peut atteindre jusqu'à 40 km en zone rurale et 3 à 10 km en milieu urbain.
Sigfox est un protocole asymétrique, ce qui signifie que les capacités de liaison montante et descendante diffèrent considérablement. Les appareils finaux peuvent envoyer jusqu'à 140 messages par jour, avec chaque message limité à 12 octets de charge utile. Les messages de liaison descendante sont limités à 8 messages par jour avec 8 octets chacun.
Différent de LoRaWAN, Sigfox a été conçu dans un souci de simplicité, déplacer l'essentiel de la complexité vers le réseau plutôt que vers les appareils finaux. Cette approche permet une mise en œuvre très simple et économe en énergie des appareils finaux..
Réseaux cellulaires
Les réseaux cellulaires gèrent une quantité incroyable de nos communications, et constitue l'une des technologies de communication les plus fondamentales de notre monde moderne.. De la 2G à la dernière 5G, et des technologies spécialisées axées sur l'IoT comme LTE-M et NB-IoT, les réseaux cellulaires représentent environ 20% de connexions IoT mondiales.
Les réseaux cellulaires fonctionnent sur ce qu'on appelle une architecture cellulaire, où les zones géographiques sont divisées en cellules. Chacun desservi par au moins un émetteur-récepteur à emplacement fixe appelé station de base. Ces cellules travaillent ensemble selon un motif en nid d'abeille pour fournir une couverture continue sur de grandes surfaces..
La technologie a parcouru un long chemin depuis les années 1980, quand les réseaux 1G pouvaient à peine gérer les appels vocaux. Nous sommes véritablement à l’ère de la 5G ($98.3 milliard 2023) et déployons NB-IoT, LTE-M et 5G dans le cadre de l'écosystème plus large de l'IoT cellulaire aujourd'hui. L'un des principaux avantages de l'IoT cellulaire est la possibilité d'exploiter l'infrastructure cellulaire existante tout en l'optimisant pour les besoins uniques de l'IoT.. Surtout, Les réseaux cellulaires ne sont pas gratuits.
Comparaison des technologies de réseau IoT à longue portée
La technologie | LoRa/LoRaWAN | Sigfox | Cellulaire (4G/5G) | NB-IoT |
Intervalle | 2-15km | Jusqu'à 40 km | Plusieurs kilomètres | 1-10km |
Débit de données | 0.3-50 Kbps | 100 bps | Jusqu'à 1 Gbit/s+ | 250 Kbps |
Consommation d'énergie | Très lent | Très lent | Haute | Faible |
Bande de fréquence | Sous-GHz | Sous-GHz | Groupes sous licence | Groupes sous licence |
Avantages | – Longue portée
– Excellente autonomie de la batterie – Bonne pénétration |
– Portée ultra longue
– Très faible puissance – Déploiement simple |
– Couverture universelle
– Grande fiabilité – Débit de données élevé |
– Bonne pénétration du bâtiment
– Spectre sous licence – Longue durée de vie de la batterie |
Les inconvénients | – Faible débit de données
– Dépendance à la passerelle – Restrictions régionales |
– Débit de données extrêmement faible
– Abonnement requis – Messages limités par jour |
– Consommation d'énergie élevée
– Cher – Frais mensuels |
– Dépendance au réseau
– Latence plus élevée – Limites de couverture |
Applications clés | Suivi des actifs, Gestion du stationnement, Surveillance de l'environnement, Détection agricole, Les compteurs intelligents | Suivi des actifs, Surveillance de l'environnement | Véhicules connectés, Villes intelligentes, Applications mobiles | Les compteurs intelligents, Suivi des actifs |
Quoi IoT ntravail en réseau ttechnologie c'est bon pour moi?
Il est logique d'utiliser les réseaux IoT, car ils peuvent connecter et gérer des appareils dans des scénarios difficiles.. En particulier, Les réseaux IoT se développent dans le monde connecté, en tenant compte de variables telles que l'échelle massive, divers types d'appareils, et les exigences opérationnelles en temps réel.
La technologie de connectivité est l’une des décisions les plus cruciales que vous devrez prendre lors du développement d’un projet IoT.. Le choix ici déterminera dans une certaine mesure le succès, Coût, et la performance de votre projet. Avant de plonger dans des technologies spécifiques, posez-vous ces questions essentielles:
– Où les appareils seront-ils utilisés? Seront-ils utilisés à l'intérieur ou à l'extérieur?
– Quelle plage devez-vous couvrir? Est-ce des mètres, kilomètres, ou quelque part entre les deux?
– Quelle quantité de données allez-vous transmettre, et à quelle fréquence?
– Quel est votre budget énergétique? Fonctionnez-vous sur piles ou sur secteur?
– Quelle infrastructure réseau existe sur votre emplacement de déploiement?
– Quelles sont vos exigences en matière de sécurité?
– Quel est votre budget pour le matériel et les coûts de connectivité courants ??
Les technologies que nous avons couvertes ci-dessus ne constituent pas une liste exhaustive des types de connexion, mais ils devraient vous permettre d'être opérationnel sur la plupart des projets IoT.
Court-range ttechnologies en préagir
Pour les technologies de communication sans fil à courte portée, Le WiFi permet une transmission de données à haut débit. Il domine la couverture du réseau sans fil dans les foyers et les espaces publics. Étant donné que de nombreux bâtiments disposent déjà du WiFi, il est idéal pour les applications IoT comme les maisons intelligentes, des caméras de sécurité, et solutions de suivi intégrées.
Dans l'espace consommateur, Bluetooth Low Energy montre une nette domination. C’est devenu le choix privilégié pour les services de localisation à courte portée en raison de considérations de coût.. Le marché le reflète – Expéditions d'appareils de services de localisation Bluetooth atteintes $255 Million dans 2024. Le BLE se développe également dans les maisons intelligentes. Avec son inclusion dans le standard Matter, nous verrons encore plus d’applications pour la maison intelligente émerger.
Zigbee est un autre acteur clé incontournable dans la maison intelligente. Il est actuellement davantage utilisé dans les applications d’automatisation industrielle et de maison intelligente.. Le réseau maillé de Zigbee peut étendre la distance de connexion et prendre en charge davantage de nœuds de réseau.
La technologie UWB n’a pas atteint les mêmes niveaux d’adoption que les trois premières. Son principal avantage est un positionnement précis au centimètre près.. toutefois, cela s'accompagne de coûts de déploiement relatifs plus élevés. Cela le rend plus adapté aux cas d'utilisation spécifiques nécessitant un suivi de localisation précis..
Long–range ttechnologies en préagir
Pour les technologies IoT sans fil longue portée, LoRa et LoRaWAN ouvrent la voie dans de nombreux déploiements IoT. Ils offrent une couverture impressionnante avec une très faible consommation d'énergie. LoRaWAN fonctionne parfaitement lorsque vos appareils doivent fonctionner sur batterie pendant de longues périodes et peut tolérer une certaine latence dans la transmission des données.. La technologie est couramment utilisée dans le suivi des animaux, suivi de véhicule, gestion du stationnement, surveillance de l'environnement, détection agricole, et comptage des services publics.
Sigfox a un design plus épuré que celui de LoRaWAN. Il est conçu pour réduire le coût et la complexité des appareils, bien que cela signifie sacrifier les débits de données. Si Sigfox et LoRaWAN peuvent parfois servir des objectifs similaires, vous devriez opter pour LoRaWAN si vous avez besoin de réseaux privés ou d'une communication bidirectionnelle.
NB-IoT et LTE-M apportent un avantage majeur – ils peuvent utiliser l'infrastructure cellulaire existante. Ces technologies se chevauchent avec certaines applications LoRaWAN et Sigfox, en particulier lors du suivi d'actifs dans de vastes zones géographiques. Le secteur de la logistique a particulièrement adopté les solutions de suivi cellulaires. toutefois, les options cellulaires entraînent des coûts plus élevés en raison des frais d'abonnement.
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