Quelle technologie radio pour les objets connectés? Deuxième Partie

La semaine dernière nous avons vu qu’il y a quelques critères importants pour le choix de la technologie radio. Nous allons, cette semaine, les détailler et comparer les performances des différentes normes de communication sans-fil pour chacun de ces critères.

Portée

La distance maximale entre les objets est assez fortement déterminée par le type de technologie radio.
Cette portée maximale est liée à la puissance de sortie, la sensibilité du récepteur et la fréquence.

La norme NFC, comme son nom l’indique (l’acronyme signifie « Near Field Communication », « communication en champ proche »), est une technologie dédiée aux courtes distances,  avec une portée typique d’environ 5cm. Le Zigbee (dans sa version de protocole améliorée Zigbee PRO), grâce à une puissance de sortie élevée (jusqu’à 18dBm) et une bonne immunité aux interférences, réalise la meilleure portée ( jusqu’à 1,5 km en plein air et en visée directe). Ce chiffre reste théorique, d’autant plus qu’en France la norme limite les émissions à une puissance de 10dBm, ce qui réduit la portée maximale à environ 750m.

Si on classe les différentes technologies en fonction de leur portée maximale, aujourd’hui:

NFC < ANT + < Bluetooth < Z-Wave < Wi- Fi < Zigbee.

Dans un futur proche, la norme Wi- Fi 802.11y permettra d’atteindre une portée de 5 km, comme illustré ci-dessous. Cependant, cette évolution est réservée à la bande 3.7GHz qui ne sera utilisée qu’aux États-Unis. De plus c’est une norme qui n’est pas dédiée aux objets communicants eux-mêmes, mais plutôt à l’interconnexion de réseau locaux (par exemple des réseaux locaux Wi-Fi « classique » reliés entre eux par Wi-Fi 802.11y).

Bon à savoir

Avec la même puissance de sortie, la même sensibilité du récepteur et pour un même signal, plus la fréquence est élevée, plus petite est la portée. Ainsi, en règle générale, si on double la fréquence, la portée est divisée par deux.

Les performances de l’antenne et de l’environnement auront également un effet déterminant: la portée en visée directe peut être plus de dix fois supérieure à celle à l’intérieur d’un bâtiment!

Débit

Le débit est la quantité de données qui peuvent être transmises par la liaison sans fil par unité de temps. La vitesse maximale de données est un maximum théorique. La valeur réelle est inférieure à celle théorique, principalement en raison de l’encapsulation des données utiles dans chaque protocole.

Si on les compare en fonction du débit maximum théorique, on peut classer les standards comme suit:

ANT+ < Z-Wave < Zigbee < NFC < Bluetooth < Wi-Fi.

Si nous devons envoyer une grande quantité de données, il nous faut choisir une technologie aux débits élevés, et ce afin de réduire le temps de transmission de ces données et ainsi gagner en consommation d’énergie.

Le graphique ci-dessous présente les caractéristiques des différentes technologies radiofréquences, en termes de portée et de débit:

Portées comparées (en mètres) des principaux standards de communication sans fil

Topologie du réseau

Si un réseau doit utiliser des objets connectés, sa taille (en nombre de ces objets) et sa typologie excluent certaines technologies radio. Les différents types de réseau sont représentés ci-dessous.
La norme NFC ne peut être utilisée en réseau (on est plutôt dans un modèle client-serveur), la norme Zigbee, quant à elle, est plutôt conçue pour de grands réseaux de capteurs. Les normes Wi-Fi et Bluetooth ne supportent que des réseaux en étoile (« Star » network). Bluetoothv4.1 (la toute récente norme Bluetooth, qui date de début Décembre, mais n’est pas encore implémentée) devrait supporter également les réseaux maillés (« Mesh » network).

star

Autonomie

L’autonomie maximale sera fortement déterminée par la technologie de communication radio choisie. L’autonomie de l’objet dépend de sa consommation de courant (l’énergie qu’il dépense pour transmettre et recevoir des données), mais aussi de sa capacité à ne rien consommer quand il n’y a rien à transmettre ou à recevoir. C’est la notion d’endormissement.

Pour évaluer la consommation, on tiendra donc compte du type d’utilisation, et on calculera une consommation moyenne dans le temps (je consomme I mA pendant X% du temps et i µA (microampères) le reste du temps, quand je suis endormi).

Lorsque la consommation moyenne de courant augmente, soit l’autonomie se dégrade, soit il faut augmenter la taille de la batterie.

Le débit maximum va aussi impacter la consommation. En effet, si on a beaucoup de données à transmettre, il faut pourvoir les transmettre rapidement pour pouvoir s’endormir ensuite plus longtemps. Ainsi il vaut mieux consommer un peu d’énergie de temps en temps et ne rien consommer le reste du temps que consommer moins d’énergie, mais tout le temps.

Table de comparaison des principaux standards de communication radio

Un tableau comparatif des différentes technologies radio peut être construit en se basant sur l’étude de leurs spécifications et de leurs impacts au niveau système.

 

Quelle technologie radio pour les objets connectés ? Première partie

Conseils pour choisir la bonne technologie de communication L’internet des objets L’internet des objets – la possibilité pour les objets d’interagir les uns avec les autres – devient une réalité et les applications sont quasiment illimitées. internet of things C’est une révolution qui est rendue possible par l’intégration des dernières technologies sans fil dans un […]

La 0G de retour avec sa technologie long range : de la théorie à la pratique

Comment seront gérées les villes de demain ? Les réseaux de capteurs des futures villes intelligentes nécessiteront t-ils une infrastructure réseau de plus en plus dense ? Faut il croire en la 0G?

Regardez tout autour de vous. Je suis quasiment sûr que vous n’allez pas mettre beaucoup de temps à trouver une antenne dédiée à la téléphonie mobile. Cette technologie qui vous oblige à avoir un abonnement et une carte SIM  nécessite d’avoir un grand nombre d’antennes pour pouvoir couvrir le réseau. On peut donc douter que les infrastructures de téléphonie mobile puissent un jour équiper les réseaux de millions de capteurs.

Les alternatives:

mesh Le réseau maillé consiste à avoir une série de capteurs qui, s’écoutant les uns les autres, peuvent faire passer les messages d’un voisin vers l’autre. Le but du jeu est de joindre un point A à un point B en passant par le chemin le plus court ou le plus rapide. Ces réseaux peuvent être performants mais sont énergivores car ils nécessitent une écoute quasi permanente du réseau par les capteurs. (Réseau mesh). Des travaux sont tout de même à l’étude pour améliorer les performances, notamment énergétiques (6Tisch et 802.15.5)

StarNetworkLe réseau en étoile via la 0G (versus 2G, 3G ou 4G) fait le pari que nous pouvons faire autrement pour gérer les réseaux de capteurs. La technologie Long Range offre de bonnes performances en terme de portée et permet donc de pouvoir utiliser des réseaux de type étoile.(Réseau Etoile). Seul un récepteur est à l’écoute de sa tribu de capteurs. De cette manière le capteur ne se réveille que lorsqu’il est nécessaire de le faire, simplement si une information est à transmettre.

Et maintenant, si nous partions en ballade ?

A force d’entendre que la portée des réseaux long range permettait des exploits, nous avons décidé de valider la chose par nous même. Nous avons donc placé un récepteur sur un point haut (110m) de la région de Rennes, situé à environ 15km du centre ville (sortie Laillée en direction de Nantes). Nous sommes partis avec un émetteur en direction de Rennes dans l’espoir de valider les performances de notre petite infrastructure. L’image ci-dessous renseigne sur l’itinéraire suivi ainsi que sur la topologie du terrain.

Topologie et itinéraire parcouru

L’image suivante permet de se rendre compte des différents points de mesure et de leur position par rapport à celle du récepteur (situé à 110m d’altitude). Lorsque le trait est rouge, la communication ne passe pas parce-que la topologie du terrain est bloquante; lorsqu’il est bleu, c’est bon.

Variation de l’altitude pendant le trajet

Les résultats sont assez bluffants. Nous avions parcouru presque 17km en direction de Rennes (dernier trait bleu dans l’image ci dessus, point numéro 30) et nous captions encore ! Petit bémol tout de même, la topologie du terrain joue un rôle important. En effet, le système n’était plus capable de fonctionner si la liaison entre l’émetteur et le récepteur devait traverser un matériau dense (CF traits rouges). Autrement dit, si vous pouvez tracer une ligne droite entre votre émetteur et le récepteur sans avoir à creuser un tunnel dans le sol et sans avoir à démolir les 10 bâtiments qui vous séparent du récepteur , c’est gagné !
Le pari des villes intelligentes de demain passera par ce genre d’infrastructure si et seulement si les réseaux sont déployés de manière intelligente, sur des points stratégiques, en hauteur. Les fournisseurs d’infrastructure Long Range, l’état et les régions ont donc leur rôle à jouer car ils sont les seuls à avoir des accès à ces points stratégiques.

Crédit photo: Coincoyote – flikr

Wikipedia

Du Lab au LabFab: interview d’un précurseur

L’open source hardware (OSH) va t il révolutionner la R&D ?

Grâce aux outils OSW et au labfab, Baptiste Gautier travaille tout aussi sérieusement qu’avant mais plus vite et avec plus de fun. Une petite révolution qui change la perception de son métier.

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Baptiste Gautier
Ulrich : Peux tu te présenter en quelques mots ?
Je suis  ingénieur à Telecom Bretagne depuis 5 ans. Au départ, je travaillais sur les réseaux véhiculaires puis les réseaux de capteurs. J’ai ensuite transposé peu à peu les technologies (wifi, bluetooth…) pour des usages « grand public ».
Ulrich : Comment es tu passé de la recherche « classique » au Labfab (Laboratoire de fabrication numérique) ?
C’est la rencontre de John Lejeune en juillet 2010 a amorcé ce changement. John était alors patron de hackable device, il m’a donné mon premier Arduino et m’a dit: « ça va réinventer votre recherche et changer la façon dont tu travailles »et pour le coup il avait raison. Arduino nous a permis de tester nos trucs très sérieux de recherche très rapidement. On fait la même chose qu’avant parce que l’écosystème Arduino est très modulaire et surtout cela nous permet de prototyper beaucoup plus vite qu’avant !
Ulrich : D’où vient l’idée du Labfab et pourquoi avez vous créé ce lieu ?
On a monté le Labfab pour les étudiants: les élèves ingénieurs peuvent faire de la techno pour le plaisir de faire de la techno, je voulais les amener à servir un objet et un usage. Améliorer la sécurité, le confort et la vie des gens c’est une bonne raison de faire de la technologie. Si en plus on arrive a les intéresser sur comment est construit la technologie et les éduquer sur leurs rapports à internet, c’est gagné. Au début, j’ai pensé les amener au hackerspace de Rennes mais mon directeur de l’école n’a pas partagé mon enthousiasme : « pas questions d’emmener les étudiants avec des hackers, tu fais ce que tu veux mais pour la formation c’est non, tu me trouves un endroit avec des normes de sécurité et la on reparle. »
On a alors commencé par des ateliers à la cantine numérique puis Erwan Mahé a ouvert un lieu à l’école des beaux arts pour les étudiants et le public. Le Labfab était né. C’ est un hacker space déguisé ou l’on peut accueillir le grand public.
Ulrich : Si j’ai bien compris, le LabFab répond à un besoin de fabriquer des choses ensemble. Et les entreprises? S’intéressent elles aux Labfab et aux makers ?
Ces écosystèmes ne se parlent pas. Il y a bien quelques exemples d’open innovation ou de grand groupes appuient des projets avec des makers mais il y a encore beaucoup d’incompréhension. Les grands groupes ne voient les makers que comme un marché ou une stratégie marketing.
Ulrich : C’est vrai que le mouvement maker brise l’idée que l’on peu se faire de la R&D, on peu t se demander s’il est possible de faire du business avec de l’open source ?
Aux Etats-Unis et en Italie, ça ne pose aucun problème, il n’y a pas cette barrière entre l’esprit hippie et l’argent. En France c’est une autre histoire. Aux Etats-Unis, il existe des labfab (techshop) ultra privés pour un public fortuné et cela ne pose aucun problème.
Ulrich : Ce changement dans ta manière d’aborder ton métier d’enseignant et d’ingénieur a t il un impacte sur la manière dont tu gères tes projets maker et ton activité professionnelle ?
En ce moment le boulot c’est Noel tous les jours ! c’est fucking cool (NDLR: citation originale), tu fais ce que tu veux et t’es payé pour le faire. J’ai ramené du fun dans mon boulot. Tout ce que je peux faire, et veux faire (Lora Fabian, smart TB, Mooc) est encouragé par ma hiérarchie qui croit au changement de modèle. Plus tu tires, plus tu va essayer d’aller voir plus loin.
La deuxième partie de cet interview sera publiée la semaine prochaine: Baptiste a également contribué au projet « la boite » de la conception à la commercialisation via une campagne de crowdfunding. Il est également coordinateur du MOOC « fabrication numérique » dont la première session a réuni 12000 étudiants sur la plateforme France Université Numérique.
Credit Photo : Arduino par Nicholas Zambetti – http://www.arduino.cc/

5 bonnes raisons d’éviter le Wifi pour vos objets connectés

Du wifi à tous les étages ?

Aujourd’hui, pour connecter les objets à internet, la technologie wifi est très souvent utilisée mais est ce vraiment une bonne idée ? Voici cinq bonnes raisons d’y réfléchir à 2 fois avant d’utiliser wifi pour vos applications.
On aurait pu vanter dans cet article les bénéfices du wifi pour connecter les objets à internet :
  • Technologie présente un peu partout ou presque
  • Offre importante et bon marché
  • Connexion internet facile et rapide
  • Technologie établie ayant fait ses preuves pour les PC et smartphones
Mais si on y regarde de plus près, force est de constater que cette technologie est loin d’être la meilleure pour échanger des données d’objets connectés sur le réseau.
La technologie Wifi n’est pas adaptée pour de nombreuses applications:

Faible portée du Wifi :

La portée du Wifi est d’environ 50m en l’absence d’obstacle. A l’intérieur des bâtiments, les cloisons limitent la propagation des ondes . Une portée de 20 mètres est plus réaliste. Le choix du wifi peut être immédiat à l’intérieur d’un logement mais peut vite limiter les applications si votre box internet est éloignée de vos objets connectés.

Fortes radiations électromagnétiques :

Wifi utilise ses bandes de fréquences ISM (bandes industrielles, scientifiques et médicales), ces bandes sont libres et utilisées par des applications variées (bluetooth, four à micro ondes, radio thérapie…)
Afin d’assurer la cohabitation entre différentes technologies, la puissance d’émission dans ces bandes est limitée à 100mW
Pour maximiser la portée, le wifi émet généralement à puissance maximum en permanence.

Le wifi est énergivore :

C’est la conséquence directe de ce qui est écrit dans le paragraphe précédant: le wifi est activé en permanence.
Le wifi monopolise quelques watts par heure pour maintenir une connexion au réseau qu’il y ait échange de données ou pas : ainsi pour les applications telles que la télérelève de compteurs, le pilotage de volets, les alarmes… wifi passe 99.9% du temps à consommer de l’énergie inutilement.
On estime qu’environ 80% de l’électricité consommée par les appareils connectés est uniquement utilisée pour les maintenir sous tension afin de conserver active la connexion à internet.

Wifi est à la merci des hackers :


Vous avez peut être vu ce reportage diffusé sur France au mois de juin: on y présent Nice, première ville connectée de France.

On y voit un hacker « ne pas payer » sa place de parking avec un simple ordinateur portable .

Les données ne sont pas chiffrées et vos données personnelles ne sont pas protégées.

Scalabilité: difficile de déployer un réseau wifi à grande échelle

C’est théoriquement possible de connecter plusieurs dizaines de dispositifs à un point d’accès wifi mais dans la vraie vie c’est une autre histoire.

Essayez de brancher 15 périphériques sur votre box ADSL et vous entendrez votre ados hurler que « ça rame ». L’unique solution connue à ce jour consiste à multiplier les points d’accès et antennes wifi.

Cette solution est onéreuse et n’est pas si évidente à mettre en place.

What else?

D’autres solutions existent pour une grande majorité des applications de l’internet des objets. Aujourd’hui, il est déjà possible de déployer des réseaux de plusieurs milliers de capteurs en diminuant par 4 la puissance des émissions électromagnétiques. Des solutions intelligentes et sobres d’un point de vue énergétique permettent de connecter simplement des objets à internet.

Source:

Nice Ville Connectée extrait de Envoye special 05/06/2014

Les objets connectés font exploser la facture d’électricité mondiale !

Crédit photo:

Flickr : Wifi Signals de Josh Zakary; Antennas de Gwenael Piaser