Connaître ces secrets rendra votre matériel IoT incroyable

Le matériel IoT comprend une grande variété de dispositifs tels que des capteurs, des ponts et des dispositifs de routage. Ces dispositifs IoT assurent des fonctions essentielles pour la gestion de tâches essentielles telles que l'activation du système, la communication, la définition des actions, la sécurité et la détection d'actions et d'objectifs détaillés. Vous découvrirez ci-dessous les dispositifs IoT disponibles chez MOKOSmart qui utilisent la technologie IoT, les composants matériels IoT, l'architecture des logiciels IoT et les plateformes matérielles IoT courantes. Nous aborderons également les exigences matérielles IoT essentielles au déploiement d'un projet IoT, ainsi que les cartes de développement de microcontrôleurs, les ordinateurs monocartes et les processeurs.

Les éléments de base du matériel IoT

Dans cette section, nous aborderons certains éléments constitutifs du matériel IoT.

 Chose

Dans l'IoT, le terme « objet » désigne l'actif destiné à mesurer, surveiller ou contrôler. La plupart des produits IoT intègrent pleinement leurs appareils intelligents à l'« objet ». Par exemple, des produits tels que les véhicules automatiques et les réfrigérateurs intelligents se surveillent et se contrôlent entièrement.

Dans certaines autres applications où « l’objet » est utilisé comme un appareil autonome, un produit particulier doit être lié pour certifier qu’il possède des capacités intelligentes.

Module d'acquisition de données

Ce composant matériel IoT se concentre sur l'acquisition de signaux physiques provenant de l'objet surveillé ou observé. Il les convertit ensuite en signaux numériques facilement interprétables ou manipulables par un ordinateur. Tous les capteurs permettant d'obtenir des signaux réels tels que la pression, la densité, la température, la lumière, les vibrations et le mouvement sont intégrés à ce composant. L'application détermine le nombre et le type de capteurs nécessaires.

Le module d'acquisition de données comprend également le matériel nécessaire à la conversion des signaux entrants du capteur en données numériques exploitées par l'ordinateur. Cela implique l'accoutumance, l'interprétation, la conversion analogique-numérique, la mise à l'échelle et la réduction du bruit des signaux entrants.

Module de traitement des données

Il comprend l'unité critique utilisée pour traiter les données qui exécutent des opérations telles que le stockage de données locales, l'analyse locale et d'autres opérations informatiques.

Module de communication

Ce module permet une communication efficace entre la plateforme Cloud et les systèmes tiers, soit dans le cloud, soit localement.

Capteurs matériels IoT

Les capteurs sont l'élément le plus critique du matériel IoT. Ils se composent de plusieurs modules, tels que des modules de gestion de l'alimentation, des modules RF, des modules de détection et des modules d'énergie. Ils sont idéaux pour les applications suivantes :

• Proximité
• Lumière ambiante optique
• Détection des fuites
• Mesurer la température et l'humidité
• Magnétisme électrique
• ACCÉLÉRATION
• Acoustique et vibrations
• Identification des gaz chimiques
• Déplacement
• Forcer la pression

Détecteurs

Les données IoT ne peuvent exister sans capteurs. Tous les capteurs IoT génèrent des signaux électriques analogiques proportionnels à un actif physique. Les capteurs utilisent des convertisseurs analogique-numérique (CAN) pour convertir ces signaux analogiques en données numériques. De plus, des propriétés électriques simples comme le courant, l'inductance, la tension, la résistance et l'impédance peuvent être mesurées à l'aide de capteurs.

De plus, la direction et la force des champs magnétiques et électriques peuvent être mesurées à l’aide de capteurs.

Les propriétés non électriques mesurées par des capteurs utilisent un transducteur pour modifier les propriétés physiques en signaux électriques analogiques.

Les propriétés physiques les plus courantes sont :

• Paramètres 3D tels que la vitesse, l'accélération, le déplacement et les vibrations.
• Propriétés écologiques comme l’humidité et la température.
• Dynamique des fluides liquides comme la pression, les débits et le son.

Appareils électroniques portables

Il s'agit de petits équipements portés sur la tête, les bras, le cou, les pieds et le torse. Parmi les appareils électroniques portables actuellement disponibles sur le marché, on trouve :

• Des lunettes intelligentes portées sur la tête
• Colliers portés autour du cou
• Montres intelligentes portées au bras

Les sacs à dos et certains autres vêtements sont portés sur le torse

Autres périphériques matériels IoT

Nous utilisons quotidiennement des appareils tels que les tablettes, les téléphones portables et les ordinateurs de bureau, qui sont des éléments essentiels d'un système IoT. Les téléphones portables permettent des réglages à distance fonctionnels et d'autres modifications intégrales. L'ordinateur de bureau permet à l'utilisateur de contrôler le système en profondeur.

Alors que les tablettes permettent aux utilisateurs d'accéder aux fonctionnalités clés du système et sont également utilisées comme périphériques réseau standardisés à distance tels que les commutateurs et les routeurs forment d'autres périphériques connectés clés.

Caractéristiques du matériel IoT

Avec l'introduction rapide de nouvelles plateformes matérielles IoT industrielles, son paysage n'a cessé d'évoluer. Les appareils IoT partagent des caractéristiques clés communes qui permettent de choisir le matériel et les logiciels nécessaires à la configuration d'un nouveau réseau IoT ou à l'extension et au développement de réseaux existants. Les capacités essentielles des appareils IoT sont les suivantes :

Connectivité

Tous les objets connectés se caractérisent par leur connectivité réseau. Lorsqu'ils communiquent localement avec d'autres, ils utilisent des services cloud pour publier des données. La plupart des objets connectés transfèrent des informations sans fil, soit via balise Bluetooth, 802.11 (Wi-Fi), réseaux cellulaires, RFID ou technologies LPWAN telles que SigFox, LoRa ou NB-IoT. Tous les appareils fixes sont équipés d'un système de communication filaire. Ces appareils fixes sont installés dans des applications de contrôle industriel, de domotique et de bâtiments intelligents. Des protocoles standard comme le réseau CAN (Controller Area Network) ou l'UART (Universal Asynchronous Receiver Transmitter) connectent les appareils par communication série.

Gestion de l'alimentation

Les appareils portables et portables qui dépendent fortement de sources d'énergie sans fil, telles que les cellules photovoltaïques et les batteries, considèrent la gestion de l'énergie comme un facteur dangereux. La plupart des utilisateurs mettent parfois leurs appareils en mode économie d'énergie ou en veille pour économiser l'énergie. Cela dépend des habitudes d'utilisation de l'utilisateur et des besoins énergétiques des circuits intégrés, capteurs ou actionneurs concernés. La consommation d'énergie de l'appareil augmente avec le nombre de composants connectés.

Cartes de développement de microcontrôleurs

Un microcontrôleur est un système sur puce (SoC) capable de traiter et de stocker de grandes quantités de données. Il comprend de la mémoire, des cœurs de processeur et une mémoire morte programmable et effaçable (EPROM) permettant l'exécution de tous les programmes personnalisés sur le microcontrôleur. De plus, les cartes de développement pour microcontrôleurs disposent d'une structure électrique supplémentaire pour supporter le microcontrôleur, ce qui facilite la programmation ou le prototypage avec la puce.

Le microcontrôleur est connecté aux actionneurs et aux capteurs via un bus matériel ou des broches d'entrée/sortie à usage général (GPIO) analogiques ou numériques. Tous les composants connectés au bus utilisent des protocoles de communication standard tels que SPI et I2C. L'échange ou l'ajout d'éléments liés au bus devient plus accessible lorsque l'utilisateur adopte certaines normes.

Ordinateurs monocartes (SBC)

Ils sont plus improvisés que les microcontrôleurs. Les ordinateurs monocartes permettent à l'utilisateur d'intégrer des périphériques tels qu'un écran, un clavier ou une souris. De plus, ils offrent davantage de puissance de traitement et de mémoire. Par exemple, un microcontrôleur est équipé d'un microprocesseur 8 bits cadencé à 16 kHz, tandis que les ordinateurs monocartes sont équipés d'un microprocesseur ARM 1.2 bits cadencé à 32 GHz.

Quel est le meilleur choix entre les cartes de développement de microcontrôleurs et les ordinateurs monocartes ?

Lors de l'achat d'une carte de développement pour microcontrôleur ou d'un ordinateur monocarte, il est essentiel d'analyser les principales caractéristiques du dispositif en fonction des exigences de votre application. Utilisez également les éléments suivants pour prendre vos décisions :

• Établir la quantité et le type de composants de sortie et de capteurs périphériques essentiels aux circuits de conception du composant si nécessaire.
• Choisissez une seule carte ou un microcontrôleur pour contrôler et coordonner les composants d'un système périphérique.
• Choisissez les protocoles de communication de données essentiels dont vous pourriez avoir besoin pour la communication intra-appareil. Par exemple, pour communiquer entre un microcontrôleur et des capteurs connectés, utilisez un port I₂C.
• Déterminer les protocoles et le matériel réseau essentiels pour communiquer avec les applications et les services cloud.
• Comparez l’intention de conception que vous prévoyez d’atteindre après avoir progressé dans la conception de votre paysage IoT.
• Accédez aux logiciels embarqués, aux prototypes et à la conception des appareils, et sélectionnez les meilleures applications et services. Il est possible d'évaluer ponctuellement vos prototypes en fonction de vos exigences fonctionnelles et non fonctionnelles, telles que la sécurité, les performances et la fiabilité. Revoyez ensuite les choix qui vous semblent nécessaires.

Exigences matérielles IoT pour le déploiement de votre projet IoT

Les appareils IoT fonctionnent uniquement dans un environnement défini et leurs projets matériels sont très variés ; ils sont donc hautement spécialisés. Néanmoins, il est possible de développer et de concevoir vos circuits imprimés personnalisés et leurs composants, adaptés aux exigences de votre solution IoT, en réalisant des prototypes avec du matériel standard. Lors du déploiement de votre projet IoT, il est essentiel de prendre en compte les exigences matérielles IoT suivantes :

Exigences de sécurité

La sécurité est un élément essentiel de l'Internet des objets. Il est impératif de prendre en compte les exigences de sécurité des appareils à toutes les étapes de développement et de conception. Même lors du prototypage, il est essentiel de garantir la sécurité et l'intégrité des données capturées par chaque appareil. Tous les appareils IoT, leur réseau, les applications de service des sites web et les appareils mobiles sont soumis aux exigences de sécurité.

Facilité de développement

La simplicité de développement est une exigence primordiale lors du prototypage. Elle permet à l'utilisateur de mettre en service l'appareil IoT rapidement et efficacement, de capturer les données et de l'interconnecter avec d'autres appareils et le cloud. Lors du déploiement de vos projets IoT, tenez compte de la qualité, de l'accessibilité et de la disponibilité de la documentation de l'API. Tenez également compte des outils de développement et du support fournis par le fabricant de l'appareil ou par l'équipe de développement.

Exigences en matière d'acquisition, de traitement et de stockage des données

Le nombre de capteurs connectés, la résolution des données capturées et le taux d'échantillonnage sont les principaux déterminants du volume de données à traiter. Ils influencent également les exigences de stockage et de traitement des données.

Exigences de connectivité

Les réseaux sans fil ont des exigences de connectivité telles que la portée de fonctionnement, la distance parcourue par le signal de transmission, ainsi que le volume de données et de données transmises. Lors de la vérification des exigences de connectivité d'un appareil, il est essentiel de prendre en compte sa tolérance aux pannes, sa capacité de reconnexion et le temps nécessaire à un appareil pour réessayer d'envoyer des données après une déconnexion.

Puissance requise

Les besoins en énergie dépendent principalement du débit de transmission du réseau et du nombre de capteurs de l'appareil. Par conséquent, lors du déploiement de votre projet IoT, il est essentiel de déterminer si l'appareil nécessite une source d'alimentation mobile, telle qu'un supercondensateur ou une batterie, ou une alimentation câblée. Il est également important de connaître la taille de la batterie, sa capacité requise, son poids et de savoir si elle est rechargée, remplacée ou jetée lorsqu'elle est déchargée. Si la batterie est rechargeable, vérifiez par quel moyen et à quelle fréquence elle est rechargée.

Exigences de conception des appareils physiques

Ils incluent la taille et l'apparence physique du dispositif matériel. Lors de la conception d'un appareil IoT, il est essentiel de prendre en compte les conditions écologiques dans lesquelles il sera installé. Par exemple, demandez-vous si l'appareil nécessitera un boîtier renforcé ou étanche. Tous les appareils installés sous un camion dans le cadre d'une application de surveillance de flotte doivent toujours être protégés pour garantir leur bon fonctionnement, même dans des conditions difficiles. L'appareil doit être étanche et insensible aux chocs, à la saleté et aux vibrations.

Exigences en matière de coûts

Le coût du matériel d'origine et des composants associés, comme les capteurs, est le principal facteur déterminant son prix. Les autres facteurs qui influencent le coût du matériel incluent les coûts d'exploitation courants, comme la maintenance et l'énergie. Il est également essentiel de tenir compte des frais de licence raisonnables pour les lecteurs et composants de certains appareils. L'assemblage de cartes personnalisées est plus coûteux que l'achat de cartes de développement standard. Il est plus judicieux de consacrer des périphériques matériels lors de la mise à l'échelle d'un réseau IoT avec de nombreux instruments.

Processeurs

Les données sont traitées une fois capturées par les capteurs, avant d'être transmises au cloud. Ainsi, la quantité de données nécessaires à la création des données de capteurs et la complexité de ces derniers déterminent le niveau de traitement. Par exemple, une mesure de température est une simple illustration de la moyenne de valeurs définies ou d'une valeur unique au fil du temps. De plus, une caméra de sécurité incapable d'enregistrer une vidéo numérique sans l'algorithme de détection de scène signalant un événement peut être plus complexe.

Compte tenu de la complexité et de la puissance nécessaires au traitement des données, quatre classes matérielles de traitement IoT sont requises :

Systèmes basés sur PC

Les systèmes PC sont des plateformes configurables qui permettent aux intégrateurs de créer facilement des systèmes personnalisés à partir de processeurs classiques et bon marché, de cartes mères, de boîtiers et d'alimentations standard. Les capacités de stockage local étendues sont principalement assurées par des disques SSD (Solid State Drives) ou des disques durs de plusieurs téraoctets.

Systèmes mobiles

Les systèmes mobiles intègrent des systèmes embarqués dont un sous-ensemble spécialisé est optimisé pour les smartphones et les tablettes. Tous les systèmes mobiles nécessitent des charges fréquentes car ils fonctionnent sur batterie. Ces appareils intrinsèquement personnels disposent de systèmes de gestion de l'énergie avancés pour économiser l'énergie et prolonger l'autonomie de la batterie. De plus, ils offrent des capacités de traitement hautes performances.

Systèmes embarqués basés sur un microprocesseur (MPU)

Ils offrent une gamme complète d'options, offrant des capacités et des performances optimisées pour répondre aux besoins de produits spécifiques, principalement pour les systèmes de communication, l'électronique grand public, les commandes automobiles et industrielles, les dispositifs médicaux et d'autres applications verticales.

Systèmes embarqués basés sur un microcontrôleur (MCU)

Ces systèmes nécessitent des besoins de traitement minimes et offrent des solutions à faible coût. Néanmoins, les microcontrôleurs sont des modules matériels avancés spécifiques aux implants qui accélèrent le traitement des images et assurent des fonctions de sécurité telles que l'accélération cryptographique pour l'échange de clés publiques/privées et la génération de nombres aléatoires réels (TRNG).

Architecture matérielle de l'IoT

Les microcontrôleurs peuvent être utilisés pour construire l'architecture matérielle des appareils IoT. Les ressources de la puce, les interfaces et la puissance du système déterminent le choix du microcontrôleur. Certaines caractéristiques doivent être collectées pour finaliser la conception matérielle IoT. Ces caractéristiques contribuent à finaliser le prototype matériel IoT idéal et à déterminer le prix du kit matériel IoT obligatoire. Parmi celles-ci :

• Type d'actionneurs ou de capteurs
• Type d'interface de communication
• Quantité de données capturées et transmises
• Fréquence de transport des données

Architecture logicielle IoT

Les composants open source constituent la base de l'architecture logicielle de l'IoT. La figure ci-dessus illustre la manière dont cette architecture est couramment utilisée dans la plupart des systèmes. Linux n'a pas besoin de se concentrer sur le développement matériel et logiciel de l'IoT ; son utilisation est donc plus répandue.

Actuellement, la plupart des entreprises souhaitent fournir des frameworks IoT prêts à l'emploi dans de nombreuses applications IoT complexes. Le protocole CoAP est principalement utilisé, car il est exclusif aux applications IoT. Il fournit également un mécanisme standard de liaison avec les appareils IoT.

Plateformes matérielles IoT courantes

Les composants essentiels des applications IoT sont les plateformes matérielles IoT. Ces appareils peuvent vous aider à construire rapidement votre prototype ou projet DIY. Parmi les plateformes matérielles les plus couramment utilisées dans les développements IoT, on trouve :

1. Raspberry Pi – Raspberry Pi est largement répandu en tant que petite carte informatique bon marché parmi les fanatiques de technologie, les expérimentateurs et les éducateurs.
2. Arduino (Genuino) – Il s’agit d’une plate-forme de prototypage open source basée sur des logiciels et du matériel faciles à utiliser.
3. ESP8266 – Il relie un microcontrôleur 160 MHz à des points d'accès et clients, des piles TCP/IP complètes et un front-end Wi-Fi avec DNS.
4. Intel Edison – Cette petite plate-forme de développement comprend un microcontrôleur Intel Quark de 32 octets avec un processeur Intel Atom.
5. Intel Galileo – Cette plate-forme matérielle AWS IoT architecturale basée sur Intel est un progiciel et un matériel informatique compatible avec les shields Arduino destinés à l'Uno R3.
6. BeagleBone – Ce matériel ouvert est facile à assembler car il s’agit d’un petit ordinateur à logiciel ouvert qui peut être connecté à toutes sortes d’éléments disponibles à la maison.
7. Banana Pi – Il s’agit d’un ordinateur monocarte qui vise à être petit, bon marché et suffisamment flexible pour une utilisation quotidienne.
8. Kit de développement NodeMCU – La carte tout-en-un intègre le PWM, l'ADC, le 1-Wire, le GPIO et l'IIC car elle est basée sur la puce Wi-Fi ESP8266.
9. Flutter – Flutter dispose d'un processeur ARM haute vitesse, d'une puce de sécurité matérielle IoT intégrée, de batteries de charge intégrées et d'une communication sans fil longue portée solide.

L'open source est omniprésent dans le matériel IoT

La plupart des développeurs IoT connaissent l'utilisation de l'open source : plus de 91 % d'entre eux appliquent des logiciels, des données ou du matériel open source à plusieurs étapes de leur développement, ce qui renforce leur crédibilité. Cependant, moins de 2 développeurs IoT sur 10 s'appuient principalement sur des technologies brevetées, et il est moins probable qu'ils adoptent l'option open source. L'utilisation de matériel IoT open source est dominante chez la plupart des fabricants de matériel IoT. Ce taux d'utilisation élevé se maintient, quelle que soit la motivation du développeur, qu'il s'agisse d'apprentissage, de plaisir ou d'argent.

L'open source est la nouvelle normalisation

L'utilisation de solutions standardisées offre les mêmes gains de productivité que l'utilisation de normes ouvertes. De plus, l'application de normes publiques en open source contribue à résoudre les problèmes d'interopérabilité, un enjeu crucial dans l'émergence de l'Internet des objets. Il est crucial de toujours envisager la réduction des coûts de formation des nouveaux collaborateurs familiarisés avec la technologie open source utilisée. C'est ce que Google a fait en sous-traitant sa technologie MapReduce. Les solutions open source sont principalement utilisées dans le domaine du matériel Azure IoT.

L'open source attire les développeurs

L'open source suscite un immense enthousiasme auprès des développeurs, car ils sont plus sensibles aux valeurs et aux normes qu'il offre. Plus de 78 % des développeurs IoT préfèrent utiliser la technologie open source dans au moins un domaine de développement, dès que possible, plutôt que des alternatives supérieures aux technologies propriétaires. Lorsqu'une entreprise utilise et soutient une technologie open source, elle signale au développeur une technologie de pointe sur trois points essentiels.

1. Mise en conformité avec l'éthique et la déontologie du développeur
2. Met en valeur la valeur de votre solution et le support du développeur
3. Qualifie la technologie de pointe