Dispositifs à faible consommation - Intégration dans les systèmes IoT

Introduction

Tous ceux d'entre nous qui se consacrent à l'électronique, aux télécommunications ou à l'informatique connaissent la célèbre loi de Moore, qui prédisait le doublement du nombre de transistors dans un microcontrôleur, et qui a été correcte année après année, portant ce nombre jusqu'aux portes des 50 billions de transistors où nous nous trouvons maintenant en 2023 et qui est parti de quelques milliers dans les années soixante-dix.

Une progression logarithmique, qui a ouvert une quantité de nouvelles possibilités de calcul et de traitement qui ont porté l'Edge et les dispositifs portables à un autre niveau de capacités.

Mais ces capacités de calcul ont une exigence immuable jusqu'à présent (et je pense aussi à l'avenir), l'énergie. Sans elle, il n'y a pas de traitement, pas de communication, pas de données. Par conséquent, il n'est pas fou de mettre au même niveau d'importance la loi de Moore et l'évolution de la densité d'énergie disponible dans les dispositifs.

Il est facile de se rendre compte qu'elles n'ont pas du tout été des vies parallèles.

Les batteries modernes sont nées au XIXe siècle, tandis que les transistors tels que nous les connaissons dans les années 70, donc les batteries auraient 130 ans d'"avance", les transistors ont multiplié leur nombre par 50M, tandis que la densité d'énergie (Wh/l) seulement par 250.

En laissant de côté les considérations physiques des deux technologies qui sont évidemment différentes, le rythme d'évolution des batteries n'a pas suivi celui de la capacité de traitement, c'est pourquoi il a été nécessaire d'investir dans la réduction des consommations pour pouvoir combler l'écart entre elles.

Par conséquent, le concept de Low Power parmi les dispositifs actuels est devenu primordial pour réussir à étendre l'intelligence à l'Edge, la mobilité et les dispositifs personnels.

Écosystème Low Power

L'effort de l'industrie électronique pour construire des dispositifs de plus en plus petits et avec une consommation réduite a été considérable ces dernières années, et a conduit à avoir non seulement des dispositifs Low Power avec des batteries ou connectés à très faible consommation, mais aussi des dispositifs Ultra Low Power qui fonctionnent sans batteries, et qui grâce à l'Energy Harvesting sont capables de collecter et d'envoyer des données de manière ininterrompue, évitant ainsi la nécessité de recharger ou de remplacer les batteries.

La nécessité de disposer de systèmes ayant une longue durée de vie, surtout dans les environnements de surveillance, de capteurs et de contrôle d'éléments et de dispositifs physiques, a conduit à l'apparition de diverses technologies permettant leur mise en œuvre, que nous catégorisons essentiellement en fonction de la manière dont elles se connectent à Internet ou à d'autres dispositifs. Ainsi, nous trouvons ceux qui ont la capacité de connexion directe comme :

• Wi-Fi : peut-être la moins Low Power de toutes, mais qui permet de connecter des appareils comme des ordinateurs ou des téléphones portables avec des niveaux élevés de transfert de données et une faible latence, bien que sa portée de fonctionnement soit également limitée.

• Cellulaire : Des réseaux comme LTE CAT 1, LTE CAT M1, ou NB-IoT permettent à des dispositifs à faible consommation de se connecter directement à Internet, avec des plages de connexion très larges, et avec des volumes de transfert également divers, mais ce sont des systèmes sous licence, ils nécessitent donc un abonnement ou une carte SIM.

Et d'autre part, les mécanismes qui nécessitent une passerelle comme dispositif intermédiaire de connexion à Internet :

• Bluetooth : Protocole privé qui a atteint des parts de marché très importantes dans le domaine de la consommation, avec des modes de faible consommation, mais avec des limitations en termes de portée, de bande passante et de sécurité.

• ZigBee : avec la capacité de créer des réseaux de type mesh, la communication entre les dispositifs et avec la passerelle permet la connexion à Internet, avec une consommation très faible et une grande portée de communication, mais avec des bandes passantes réduites et une gestion de réseau complexe.

• LoRaWAN : avec la connexion au geteway, ces dispositifs à très faible consommation peuvent se connecter à Internet et disposent de plages de communication très larges, au prix de bandes passantes très réduites.

• Sub-GHz : consommations extrêmement faibles et portées de communication considérables, mais avec des bandes passantes très limitées, et des réglementations variables en matière de spectre radioélectrique selon les pays, pour la communication de données via une passerelle vers Internet.

Tout cela avec une diversité de protocoles qui permettent l'échange de données, MQTT, AMQP, HTTP, CoAP, DDS, LwM2M et bien d'autres spécifiques, créant un écosystème très diversifié et complexe.

Edge ou pas Edge

À l'exception des cas de téléphones portables et de wifi, l'intégration de systèmes Low Power, dans de nombreux cas, doit compter sur des dispositifs Edge pour réussir à connecter les données à Internet. Les passerelles deviennent alors des éléments indispensables où les dispositifs se connectent et transmettent leurs données, mais aussi des éléments de traitement qui permettent le nettoyage et l'optimisation de ces données.

Les équipements capables de se connecter directement à Internet (Wifi ou cellulaire) permettent d'économiser cette couche intermédiaire de connexion et de gestion, mais cela implique également de déléguer la gestion du cycle de vie du dispositif au dispositif lui-même ou aux couches supérieures de la plateforme où ils se connectent, afin de pouvoir effectuer les tâches de contrôle et de maintenance nécessaires, qui peuvent être encore plus complexes si l'on parle d'infrastructure sous licence.

Les systèmes nécessitant une couche intermédiaire Edge l'utilisent dans de nombreux cas pour gérer le cycle de vie des dispositifs connectés, pour l'onboarding, la mise à jour du firmware (FOTA), ainsi que pour le retrait et la déconnexion de ces dispositifs ou même pour déléguer des tâches de traitement des données. Dans de nombreux cas, cette couche intermédiaire est non seulement nécessaire pour l'architecture, mais aussi en raison des limitations en termes de capacités de gestion des dispositifs eux-mêmes.

Intégration IoT

La standardisation de plus en plus importante des protocoles permet aux dispositifs et aux plateformes IoT d'avoir la compatibilité nécessaire pour l'intégration de tout type de dispositif et de protocole. De plus, les couches Edge où se connectent bon nombre de ces dispositifs permettent de réaliser tout type de conversion de protocole ou de données.

Les dispositifs avec des infrastructures spécifiques, comme les technologies de communication cellulaire, ont également la possibilité de se connecter via des passerelles d'interconnexion de données pour que le flux de données arrive en forme et temps à destination. Un exemple peut être la réalisation de la passerelle spécifique entre NB-IoT et le Hub dans le cloud d'AWS basé sur IP, ce qui permet la communication des balises d'urgence de HelpFlash, connectées au réseau de Vodafone, et d'acheminer les données vers une plateforme Cloud IP pour s'intégrer finalement avec la plateforme de la DGT.

D'autre part, les systèmes qui nécessitent Edge disposent de la polyvalence de dimensionner cette couche pour leur conférer des capacités de traitement et d'interopérabilité presque infinies. Par exemple, nous pouvons connecter via une passerelle basée sur Linux, de nombreux dispositifs Bluetooth Low Power de Roca, permettant la gestion du cycle de vie, la mise à jour, la bidirectionnalité pour le contrôle des dispositifs et le traitement des données pour optimiser les paquets d'information vers le cloud, ou pour l'interprétation des données directement dans l'Edge. De plus, cela permet d'incorporer une couche de sécurité supplémentaire qui limite à la fois l'accès et la propagation de possibles attaques sur le réseau.

En résumé, le choix du dispositif, de la connectivité et du protocole est une phase importante à prendre en compte dans le développement du cas d'utilisation et de l'affaire la plus favorable. Les besoins ou la capacité opérationnelle de maintenance des dispositifs (pour le changement des batteries par exemple), la portée des communications nécessaire, ainsi que la bande passante requise pour la transmission des données, conjointement avec la disponibilité de l'infrastructure de communications et de réseau, en fonction de l'emplacement des dispositifs, conditionnent le choix de l'architecture la plus favorable pour obtenir un retour sur investissement positif et un modèle d'exploitation viable.