L’Internet des Objets : Connecter vos capteurs aux réseaux IoT !

Dans la suite de la série d’articles IoT, après une introduction générale, nous allons nous focaliser sur la partie capteurs et réseaux pour l’Internet des Objets. En effet, aujourd’hui, il n’y a pas de standard pour connecter les objets mais une multitude de réseaux (NFC, RFID, BLE, Sigfox, LoRa, 3G, etc) à usages différents.

Par la suite, nous donnerons une vue globale de ces réseaux et de l’architecture  pour connecter les capteurs et nous nous focaliserons pour finir sur les réseaux LPWANs (spécifiquement Sigfox et LoRa) qui connaissent une ascension rapide depuis 2015.

De nombreux réseaux pour différents usages

Une des caractéristiques de l’IoT aujourd’hui est la diversité et l’hétérogénéité des réseaux existants. Nous distinguerons 3 grandes familles en se basant sur la portée et la consommation énergétique des réseaux :

Réseaux LAN (Local Area Network)

Ce sont des réseaux courte portée (entre 1 m et 100 m) et peu consommateurs d’énergie. Ces réseaux sont très utilisés dcomme boucles locales par les objets connectés du grand public (à l’image des box domotiques pour le smart home ou les bracelets connectés pour le smart health). On peut citer par exemple NFC, RFID, BLE et Zigbee.

Réseaux cellulaires

Ce sont des réseaux longue portée  (de quelques kilomètres en ville à 30 km en zone rurale) et consommateurs d’énergie. À l’image des réseaux GSM, 2G, 3G ou 4G, ils permettent le transport de grands volumse de données (vidéos, images, etc.) et ont une bonne couverture au niveau national et international (grâce au roaming).

Les réseaux LPWAN ( Low Power Wide Area Network)

 Ce sont des réseaux longue portée (de l’ordre de plusieurs kilomètres) et à faible consommation énergétique.  À l’image des réseaux Sigfox et LoRa, ces réseaux ont été spécifiquement conçus pour transporter les données IoT à faible coût.

Gateways

Dans l’IoT, on considère souvent des objets (capteurs/actuateurs) qui ont des contraintes matérielles et logicielles qui ne leur permettent pas de se connecter directement au réseau Internet. Ils s’y connectent à travers une gateway (passerelle). En effet, d’un côté, l’Internet n’est pas dimensionné pour gérer l’adressage de milliards d’objets connectés. D’un autre côté, TCP IP/V6 est un protocole trop lourd pour être exploité par les capteurs. Aujourd’hui, TCP IP V6 est utilisé via le protocole 6LowPAN (IPv6 Low power Wireless Personal Area Networks) qui est exploité au-dessus des protocoles réseaux 802.15.4.

Les gateways jouent le rôle d’intermédiaire pour connecter l’objet à internet et envoyer ses données au cloud. Un exemple de ces gateways sont les routeurs domestiques, les téléphones mobiles, le raspberryPi, l’Arduino. Ces gateways fournissent ce qui est nécessaire en terme de connectivité, de sécurité et de management des appareils. Les gateways traduisent aussi les protocoles propriétaires (exemple zigbee,  BLE) au réseau Internet et certaines peuvent jouer le rôle d’agrégateurs de réseaux.

Les réseaux LPWANS

La promesse de l’IoT est de pouvoir capter des données de l’environnement (température, humidité, niveau sonore, luminosité, etc.) pour un prix modéré. Pour cela, il faut des capteurs peu onéreux, idéalement auto-alimentés ou sur batterie qui peuvent tenir très longtemps (autonomie de l’ordre de plusieurs années). Ces capteurs vont souvent émettre l’information de temps en temps et se mettre ensuite en veille. Les réseaux qui les connectent doivent aussi répondre à ces besoins et ne pas coûter cher. Ainsi, les opérateurs télécom doivent s’adapter car utiliser les réseaux cellulaires pour transmettre quelques kilo d’octets par objet coûte très cher. Tout cela explique l’émergence des réseaux sans fils M2M à longue portée, basse énergie et très bas débit qui coûtent beaucoup moins cher que les réseaux cellulaire.

La France est une pionnière dans ce domaine. On cite les réseaux Sigfox, LoRa, Qowisio, ou encore le PicoWann de Archos. Dans la suite, nous allons nous focaliser sur les réseaux Sigfox et LoRa qui ont le plus marqué l’année 2015.

Ces réseaux LPWANs s’appuient souvent sur des bandes de fréquences « ISM » (Industrie/Science/Médical) non licenciées. Ils coexistent sur ces fréquences avec d’autres technologies radio, mais sans risque de collision. Les antennes des émetteurs de ces réseaux utilisent la bande des 800-900 MHz et ont une portée plus grande que celles des réseaux 2G/3G/4G : elle atteint une quarantaine de kilomètres en zones rurales et descend à quelques kilomètres en ville. De ce fait, le nombre d’antennes nécessaires pour couvrir un pays est plus petit. À titre d’exemple, Orange a installé 10 000 antennes 4G en France et Sigfox couvre le même territoire avec seulement 1500 antennes.

Le réseau Sigfox

Sigfox est un réseau LPWAN qui permet aux objets de communiquer sans fil, entre eux ou avec un serveur. Le réseau est fourni par la start-up toulousaine portant le même nom qui est le seul opérateur de son réseau.

Caractéristiques techniques

• Sigfox repose sur la technologie radio UNB (Ultra Narrow Band). Le signal utile n’occupe que très peu de bande passante, il ne fait que quelques dizaines de Hertz de large au lieu de quelques centaines de KHz voir MHz pour le GSM.
• Sigfox utilise actuellement la bande européenne ISL la plus populaire sur 868MHz ainsi que la 902 MHz aux USA.
• Une conséquence du choix de l’utilisation de bandes étroites est que les ondes se propagent sur de plus amples distances. Sigfox a ainsi besoin d’installer moins d’antennes qu’un opérateur téléphonique pour couvrir une surface donnée.
• Sigfox interdit de transférer des messages avec beaucoup d’information (le client peut envoyer entre 0 et 140 messages par jour et chaque message peut contenir jusqu’à 12 octets de données réelles de charge utile, sans prendre en compte les données d’identification du device).
• Sigfox permet une communication bidirectionnelle. Une telle communication permet par exemple de pousser un paramètre de configuration vers leurs objets. Cette fonctionnalité est implémentée comme un polling, où l’objet reste maître et peut demander au système d’information s’il y a des données à télécharger. Ce qui permet d’éviter de rester connecté en permanence.
•  La consommation d’émission standard d’un modem Sigfox varie de 20 mA à 70 mA et sa consommation est quasi nulle lorsqu’il est inactif. La puissance d’émission peut être réglée jusqu’a 14 dBm. La puissance rayonnée de l’antenne ne doit pas dépasser 25 mW.
• La communication sur Sigfox est sécurisée : protection anti-rejeu, message de brouillage, séquençage, etc. Seuls les fournisseurs de périphérique comprennent les données échangées entre le périphérique et les systèmes informatiques. Sigfox agit seulement comme un canal de transport, poussant les données vers le système informatique du client.

Architecture

La technologie Sigfox s’intègre aisément aux objets connectés grâce à son modem miniature qui permet à l’objet de communiquer des informations sur le réseau de Sigfox. Une fois les données récupérées par le serveur propriétaire Sigfox, via les antenne Sigfox, ces dernières sont directement retransmises sous HTTP au serveur client qui peut les intégrer sur ses applications logicielles et utiliser les données récoltées pour faire fonctionner les services adéquats, comme le montre la figure ci-dessous :

source: Factorysystemes

Couverture, modèle économique et application

• Le réseau Sigfox s’étend aujourd’hui sur la majorité du territoire en France, en Espagne, au Royaume-Uni, ainsi que dans certaines villes comme New York ou Moscou. Pour vérifier la couverture dans votre région , il faut consulter leur catalogue SNO.
• Le coût d’un abonnement de SIGFOX dépend de deux paramètres : le volume de messages échangé par les appareils et le nombre d’appareils. Annuellement, les prix varient de 1 à 14€ par appareil
•  Sigfox fait tout pour attirer à lui l’écosystème des fabricants. Le protocole Sigfox est supporté par plusieurs composants radio existants comme Atmel, Silicon Labs, STMicroelectronics, Texas Instruments et Samsung Artik.
• Sigfox est utilisé pour les applications qui ont besoin d’envoyer occasionnellement de petites quantités de données.  Plusieurs applications sont possible, par exemple connecter les systèmes d’alarmes ou la télé-relève des compteurs d’eau ou d’électricité.

Le réseau LoRa

Lors du CES 2015, la création la création de l’Alliance LoRa a été annoncée. Il s’agit d’un consortium visant à developper une offre concurrente de Sigfox, open source, et basée sur la technologie LoRa brevetée par la société d’origine française Cycleo en 2012. Aujourd’hui, l’alliance comprend 127 membres dont des acteurs français comme Bouygues Telecom, Actiliy et Sagecomm.

Caractéristiques techniques

• LoRa, c’est le nom donné à la technologie de modulation à étalement du spectre du protocole LoRaWAN (Long Range Wide-area ou réseau étendu de longue portée). Les réseaux de type 3G ou 4G  se basent sur un protocole IP, le réseau LoRa lui se base sur le protocole LoRaWAN, peu énergivore.
• LoRa est une technologie ouverte, ce qui signifie que n’importe quelle entreprise peut créer son propre réseau LoRa puis l’exploiter. Il faudra pour cela se munir d’une antenne reliée à Internet (par Wi-Fi, câble Ethernet, 3G,…) avec une station de base émettant en France sur la bande 868 MHz.
• Le réseau LoRa a un débit compris entre 0,3 à 50 kbps. Le débit (et la puissance d’émission) s’adapte automatiquement selon les besoins des objets, afin de limiter la bande passante et donc la consommation d’énergie.
• En France, Bouygues Telecom prévoit de déployer 5000 à 6000 stations de base afin de réaliser une couverture de l’ensemble du territoire, en deep indoor, c’est-à-dire en sous-sol avec des tests réalisés à 1 mètre dans le cadre de compteurs de relève d’énergie.
• D’après Bouygues Telecom,  les messages envoyés par les objets sous LoRa peuvent aller jusqu’à 243 octets, mais la moyenne tourne plus autour de 50 à 60 octets. Cependant, plus le message est lourd, plus le temps de transmission est long.
• La portée du réseau LoRa est  d’environ 20km en zone rurale et à 2km en zone urbaine.

Architecture

L’architecture du réseau LoRa est très semblable à celle de Sigfox. En effet, comme Sigfox, le réseau LoRaWAN dispose de cartes électroniques avec des modules LoRa et un/des capteurs implémentés. Ces modules peuvent communiquer entre eux en P2P ou avec une antenne. Les antennes  LoRa (gateway) reçoivent les données du module radio LoRa puis les transfèrent au serveur LoRa (Backend) comme le montre la figure ci dessous. Le Backend gère le flux de données arrivant des antennes et ces dernières sont directement retransmises sous HTTP au serveur client qui peut les intégrer sur ses applications logicielles.

source: Factorysystemes 

Couverture, modèle économique et application

• Le réseau LoRa n’est pas encore commercialisé en France. Bouygues Telecom et Oranges sont en phase de tests  pour le déploiement du réseau et il sera ouvert lors du 1er trimestre 2016 pour une couverture totale du territoire fin 2016. LoRa est présent à l’international via d’autres opérateurs étrangers ( en USA, Pays Bas, Belgique, etc). Bouygues et Orange devraient signer des accords avec des opérateurs à l’étranger pour assurer la continuité du réseau à l’international.
• Comme Sigfox, plusieurs applications qui nécessitent le transfert d’un faible débit d’information sont possibles. On cite la détection de l’état de fermeture des portes des baraques sur les chantiers, la détection des places libres dans les parking, le relevé les compteurs (eau, électricité, gaz,etc.), la maintenance prédictive, le suivi des approvisionnements et des stocks ou encore le suivi médical des personnes.
• Pour l’instant, Lora est proposé aux clients B2B, des professionnels aux besoins particuliers. Il n’y a pas encore d’ information concernant le prix de l’abonnement , mais vu le faible coût de déploiement du réseau et pour combler son offre, Bouygues Telecom prévoit à travers une plateforme « Cloud based » d’offrir des services payants liés au stockage, traitement et visualisation des données des capteurs.

A travers cet article, nous avons proposé une vue d’ensemble sur les  types de réseaux utilisés en IoT pour connecter les capteurs, ensuite nous nous sommes focalisé sur les réseaux Sigfox et LoRA. Mais la question qui peut se poser à ce niveau est: quel réseau choisir ? En réalité, il est difficile de comparer ces deux réseaux car on n’a pas aujourd’hui tous les éléments nécessaires pour le faire et LoRa est toujours en phase de test.

Les deux réseaux servent des marchés similaires, néanmoins, nous notons quelques petites différences qui pourront aider à faire un choix selon le besoin:

• Pour envoyer de très faibles volumes de données quelques fois par jour, Sigfox semble être le réseau idéal. Dès qu’il s’agit de communiquer un peu plus souvent ou d’avoir une bonne bidirectionnalité ( beaucoup d’aller/retour entre le capteur et le backend), LoRa semble être meilleur sur ce plan. Cependant les échange trop nombreux peuvent diminuer drastiquement la durée de vie de la batterie des capteurs.
• Sigfox propose une macro-géolocalisation de l’ordre du kilomètre pour suivre par exemple la logistique des conteneurs. LoRa en revanche, propose une géolocalisation plus fine de l’ordre du mètre. Cependant, cette finesse nécessiterait de densifier le réseau et d’augmenter le prix du service proposé.
• Aujourd’hui seul Sigfox a une couverture totale de la métropole française. LoRa est encore en cours de test et prévoit une offre commerciale début trimestre de 2016. Donc pour une connexion immédiate, le seul choix viable est Sigfox. De plus, Sigfox est déjà déployé dans plusieurs pays étrangers et permet de profiter de ces antennes hors de France avec un abonnement standard.