Que sont les capteurs Wireless pour l’IoT et pourquoi sont-ils utiles ?

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L‘internet des objets (IoT) transforme notre monde de manière considérable.

En permettant aux objets quotidiens de communiquer en Wireless, nous pouvons automatiser l’échange de données et créer de nouvelles efficacités qui ont un impact positif sur les vies et les organisations.

L’IoT repose sur la technologie des capteurs Wireless, qui nous permet de recueillir des informations sur les environnements sur de longues périodes avec peu d’efforts manuels. Les capteurs Wireless peuvent être configurés pour mesurer une variété de variables, de la température de l’air aux vibrations soniques. Dans l’ensemble, il existe de nombreux types de capteurs Wireless disponibles sur le marché.

De nombreux appareils Wireless contiennent des réseaux de centaines, parfois des milliers, de capteurs Wireless pour l’IoT. Ces dispositifs sont déjà utilisés dans un grand nombre de secteurs, notamment le commerce de détail, l’agriculture, l’urbanisme, la sécurité et la gestion de la chaîne d’approvisionnement.

Dans cet article, nous approfondissons le fonctionnement des capteurs Wireless et expliquons pourquoi ils sont si importants pour la révolution de l’IoT.

 

Que font les capteurs Wireless ?

Les capteurs Wireless recueillent des données sur les conditions locales et partagent les résultats avec d’autres composants ou plateformes puissants pour un traitement ultérieur. Les capteurs sont généralement répartis sur de grandes zones géographiques et programmés pour communiquer avec des centres, des passerelles et des serveurs.

L’un des principaux avantages des capteurs Wireless est qu’ils nécessitent un faible niveau de maintenance et une faible quantité d’énergie pour fonctionner. Les capteurs peuvent prendre en charge les applications de l’IoT pendant des années avant de nécessiter un changement de batterie ou une charge.

Lorsqu’il s’agit de construire des réseaux Wireless pour l’IoT, l’une des plus grandes questions que se posent les développeurs est de savoir comment disposer les capteurs Wireless sur le terrain. Les capteurs, ou « nœuds », doivent être répartis de manière à soutenir l’objectif global du développeur de réseau.

 

Comment les capteurs Wireless sont-ils mis en réseau ?

Les deux dispositions les plus courantes pour les capteurs Wireless sont les topologies en étoile et en maille.

La topologie « maillée » ou mesh nerwork décrit des réseaux dans lesquels les capteurs se connectent au plus grand nombre possible d’autres nœuds proches. Ainsi, les données peuvent « sauter » d’un nœud à l’autre sans avoir à suivre certains itinéraires ou certaines hiérarchies de capteurs. Les problèmes de connectivité sont donc moins préjudiciables aux performances du réseau, car les données peuvent emprunter plusieurs chemins pour atteindre les composants de traitement. Les topologies de maillage sont également faciles à étendre, car les nouveaux capteurs n’ont qu’à se connecter aux nœuds existants.

Par contre, les topologies de mailles sont coûteuses et peuvent être difficiles à entretenir. Il y a tant de connexions à créer et à gérer, ce qui devient de plus en plus difficile à mesure que les réseaux se développent.

La topologie en « étoile » décrit des réseaux dans lesquels chaque capteur se connecte directement à une passerelle ou un hub central. Ces hubs prennent les informations des capteurs et les transmettent à d’autres applications pour traitement. Dans ces arrangements, les nœuds ne communiquent pas directement entre eux.

Par rapport aux réseaux maillés, les réseaux en étoile sont plus rentables car ils nécessitent moins de connexions. Toutefois, il est plus difficile d’étendre les réseaux car tout nouveau capteur doit relier des centres de coordination centraux, dont la capacité est limitée.

 

Comment les capteurs Wireless ont-ils communiqué dans le passé ?

Il existe plusieurs normes Wireless qui peuvent prendre en charge les réseaux de capteurs.

Jusqu’à récemment, la technologie cellulaire était l’option la plus couramment utilisée pour la connectivité des réseaux étendus (WAN). Cependant, la technologie cellulaire est coûteuse et consomme beaucoup d’énergie, ce qui ne convient pas aux appareils à longue portée et à faible puissance, comme les capteurs Wireless pour l’IoT.

En dehors de la technologie cellulaire, le WiFi, le Bluetooth Low Energy (BLE) et Zigbee peuvent également prendre en charge les réseaux de capteurs Wireless. Ces normes font également partie de la catégorie des « solutions Wireless traditionnelles », mais présentent des avantages et des inconvénients uniques.

Le WiFi (« wireless fidelity ») est l’une des technologies Wireless les plus utilisées aujourd’hui dans les bureaux et les foyers. Le WiFi utilise les bandes de fréquences ISM de 2,4 GHz et 5 GHz. En raison de sa grande popularité, il est relativement facile de tirer parti des réseaux existants pour utiliser des capteurs Wireless.

Cependant, les signaux WiFi ont du mal à traverser les murs, ce qui est un inconvénient pour les applications à longue portée. De plus, les réseaux WiFi sont gérés par des routeurs locaux qui n’ont pas toujours d’interface utilisateur directe pour la mise à jour des clés des capteurs.

Le BLE est un protocole de faible puissance qui se distingue de la technologie Bluetooth traditionnelle. Le BLE utilise la bande de fréquence de 2,4 GHz pour transmettre de petites quantités d’informations. La norme Wireless est moins coûteuse à utiliser que le WiFi ; cependant, les mêmes problèmes se posent lorsqu’il s’agit d’envoyer des données à travers des murs ou sur de longues distances. En outre, le BLE est susceptible de subir des interférences de signaux car de nombreux autres appareils et normes utilisent la bande de fréquence de 2,4 GHz.

Zigbee est une norme Wireless qui repose sur un réseau maillé pour prendre en charge un grand nombre de nœuds (>65k) au sein d’un même réseau. Zigbee est la meilleure solution pour les réseaux de capteurs Wireless pour l’IoT qui ne nécessitent pas beaucoup de bande passante.

L’un des inconvénients de Zigbee est que certains capteurs doivent toujours être allumés afin de partager les informations à traiter. Par conséquent, Zigbee consomme plus d’énergie totale que les normes actuelles.

 

Quelles normes de communication régissent les capteurs Wireless ?

Bien que les normes Wireless traditionnelles soient efficaces, une nouvelle classe est apparue, beaucoup plus efficace pour les réseaux de capteurs Wireless. Les réseaux étendus à faible puissance (LPWAN) sont de plus en plus utilisés comme technologie de base pour la transmission de données à longue distance. Les LPWAN peuvent prendre en charge des milliards de capteurs et seront largement utilisés pour les applications de l’IoT.

Les LPWAN offrent plusieurs avantages par rapport aux normes traditionnelles. Premièrement, ils consomment moins d’énergie car ils transmettent des informations à un débit binaire beaucoup plus faible. Les capteurs peuvent survivre plusieurs années sur les LPWAN avec une seule charge de batterie. Les LPWAN peuvent également prendre en charge des capteurs sur de vastes zones géographiques, car les données peuvent être transmises sur de longues distances.

Du point de vue des coûts, le déploiement de capteurs Wireless sur les réseaux locaux  est moins coûteux que les autres méthodes. Les débits de données étant très faibles, les besoins en matériel sont moins importants.

L’utilisation des LPWAN présente plusieurs inconvénients. Les LPWAN ne sont pas bien adaptés aux applications impliquant de gros paquets de données. Les réseaux de capteurs qui doivent transférer davantage de données devraient utiliser des réseaux cellulaires de plus grande capacité ou des réseaux WiFi, BLE et Zigbee à courte portée. En outre, les LPWAN utilisent des radiofréquences sans licence, ce qui peut être plus difficile à gérer du point de vue des interférences.

 

Quels sont les principaux RLE pour les capteurs Wireless aujourd’hui ?

Les trois principaux RLE pour les capteurs Wireless sont LoRa, SigFox et NB-IoT.

LoRa (« longue portée ») est une norme largement acceptée qui utilise un schéma de modulation à étalement de spectre pour transmettre des données sur de très longues distances. LoRa est le fondement de LoRaWAN, une spécification de couche accessible au public qui relie des capteurs Wireless par l’intermédiaire de passerelles ou de fournisseurs de réseaux LoRaWAN. LoRaWAN a une largeur de bande plus élevée que Sigfox et peut transmettre des paquets de données plus efficacement dans des environnements plus bruyants.

Avec LoRaWAN, les données sont envoyées par messages cryptés entre les passerelles et les serveurs du réseau. Les serveurs authentifient et décryptent les données qui sont finalement envoyées aux applications finales. Les utilisateurs peuvent envoyer des messages directement à des capteurs Wireless via LoRaWAN pour reconfigurer les appareils.

Les capteurs LoRaWAN sont classés en trois groupes en fonction de leur capacité à envoyer et à recevoir des messages. Les appareils de classe A restent en mode veille jusqu’à ce qu’ils aient quelque chose à transmettre. Ces capteurs peuvent envoyer des messages de liaison montante à tout moment, ce qui les rend particulièrement utiles dans les réseaux de capteurs et d’actionneurs Wireless (WSAN).

Les capteurs de classe B ont prévu des fenêtres précises pour que les appareils puissent recevoir des messages en liaison descendante des serveurs. Les dispositifs de classe C maintiennent une fenêtre de réception ouverte pour les messages, sauf s’ils doivent transmettre des informations. Par conséquent, les capteurs de classe C permettent une communication à faible latence mais consomment plus d’énergie que les autres classes de capteurs.

Avec tous ces types de capteurs LoRaWAN, les développeurs de réseaux doivent disposer d’un matériel de passerelle adéquat pour recevoir les données et transmettre les informations aux serveurs.

SigFox relie directement les capteurs Wireless aux stations de base par des transmissions à bande ultra étroite. La norme a une couverture dans plus de 55 pays et peut prendre en charge plus de 100 canaux par sous-bande aux États-Unis à 600 bps. Toutefois, les paquets de données sont limités à 12 octets et la norme n’autorise pas les ACK de messages. Les utilisateurs de SigFox paient par appareil et en fonction du nombre de messages en liaison montante et descendante envoyés par jour.

Le NB-IoT utilise l’infrastructure existante des tours de téléphonie cellulaire pour fournir une couverture étendue aux appareils de faible puissance. La norme utilise des bandes de garde pour les canaux étroits afin d’éviter les interférences et peut bien pénétrer les environnements intérieurs. En 2018, T-Mobile a ajouté la couverture NB-IoT à son réseau 4G.

 

Qu’est-ce qui rend un réseau de capteurs Wireless efficace ?

Les réseaux de capteurs Wireless bien conçus présentent plusieurs caractéristiques essentielles.

Tout d’abord, les nœuds doivent être faciles à localiser au sein d’un réseau. La maintenance des capteurs, comme le remplacement des piles et la mise à jour des composants, est beaucoup plus facile lorsque les développeurs savent où trouver tous leurs appareils.

Deuxièmement, les réseaux de capteurs devraient pouvoir résister aux défaillances des nœuds sans perturbation généralisée. La topologie joue un rôle important dans la manière dont les réseaux traitent les problèmes de connectivité. Ceux qui déploient des réseaux de capteurs Wireless doivent choisir des topologies qui peuvent résister aux défaillances des composants.

Troisièmement, les réseaux devraient être faciles à mettre en place. Les développeurs doivent pouvoir développer efficacement leurs réseaux de capteurs Wireless sans avoir à investir des capitaux importants pour les étendre.

Enfin, il est important de tenir compte de la consommation d’énergie lors de la conception d’un réseau. Les capteurs Wireless utilisés doivent s’aligner sur les demandes de données de l’application IoT. Sinon, les gestionnaires de réseau risquent de consacrer beaucoup de temps et d’argent à la maintenance et au remplacement permanents.

 

Comment les capteurs Wireless sont-ils utilisés aujourd’hui ?

Il existe déjà de nombreux exemples concrets de l’utilisation actuelle du Wireless sensor technology dans diverses industries et applications.

Le secteur de la sécurité a adopté la technologie des capteurs Wireless pour l’IoT de nombreuses façons. Grâce aux capteurs Wireless, les organisations peuvent surveiller leurs locaux, identifier les activités suspectes et suivre leur biens. Les banques peuvent transformer les boutons poussoirs Wireless en boutons d’urgence pour les employés, les détaillants peuvent installer des capteurs de mouvement Wireless sur chaque point d’accès aux bâtiments. Les propriétaires peuvent également utiliser des capteurs d’air Wireless pour détecter les gaz nocifs dans l’air, comme le monoxyde de carbone.

En ce qui concerne la gestion des services publics, les capteurs Wireless pour l’IoT permettent d’automatiser la communication entre les systèmes critiques et d’atténuer les problèmes futurs. Par exemple, des capteurs de fuites d’eau peuvent être montés sur les murs pour détecter les défaillances de la plomberie ou les tuyaux qui pourraient éclater en hiver. Des capteurs Wireless sont utilisés dans les salles de serveurs et les centres de données pour détecter la présence d’eau à proximité du matériel informatique.

Les capteurs Wireless soutiennent également les efforts de gestion des catastrophes. Au Texas, des capteurs Wireless sont installés sur des ponts qui peuvent détecter les niveaux d’eau au-dessus d’un certain seuil, indiquant ainsi les risques d’inondations soudaines dans la région. Des capteurs de vibrations Wireless sont utilisés dans les usines industrielles dotées de grosses machines pour prévoir les défaillances d’équipement avant qu’elles ne se produisent.

Dans le domaine de la santé, les capteurs Wireless aident les équipes de soins à surveiller les patients en temps réel. Des boutons poussoirs Wireless servent  dans les établissements de soins pour personnes âgées. Les capteurs d’humidité aident les gestionnaires d’établissements hospitaliers à maintenir des conditions environnementales saines pour les patients.

Les détaillants et les épiceries utilisent des capteurs Wireless sur le sol pour aider les employés à créer des expériences positives pour les clients. Des capteurs de poussée Wireless sont installés dans les toilettes pour que les clients puissent indiquer quand un nettoyage est nécessaire. Des dispositifs Wireless de mesure de la température de l’air aident les grandes surfaces à surveiller simultanément les réfrigérateurs et les marchandises non réfrigérées.

Ce ne sont là que quelques exemples de la manière dont les réseaux de capteurs Wireless créent de nouvelles efficacités et ont un impact positif sur la vie des gens. Alors que l’espace de l’IoT continue de se développer, attendez-vous à voir des applications de capteurs plus innovantes qui transformeront les industries modernes à jamais.

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