Présentation

Enseignants : Georges-Pierre Bonneau, Didier Donsez (EA2014)
Sujet : Communications longue distance pour l'Internet des Choses
Date : 24 octobre 2014
Auteur : BARBIER Jérôme

Mots Clés

IoT, communication, sifgox, lora, longue distance,

Synthèse

Introduction

De nos jours et dans un futur proche, notre monde sera over-connected. Cela signifie que n'importe quel type d'objet pourra être connecté avec n'importe qui, n'importe où et n'importe quand. Cela traduit une augmentation importante du trafic réseau. Cependant, chaque objet connecté devra être doté d'une batterie. Or, plus nous allons échanger d'informations et ce sur de plus grande distance, plus la consommation d'énergie sera grande. Les protocoles de communications longues distances tentent de répondre à ces critères.

Motivations

Problèmes de connectivité grandissante

Domaines d'application de l'IoT

Les objets connectés sont dans de nombreux cas des objets simples, souvent isolés et fonctionnant sur batterie, avec des capteurs qui détectent certains événements ou informations et transmettent ces données à un système informatique. L'information peut être quelque chose telle que la température, l'humidité, l'emplacement, les informations de présence, santé, et beaucoup plus. Ces applications ont tendance à avoir de très différentes exigences en matière de réseau et de transmission de données en ce qui concerne la connectivité que les clients souhaitent avoir avec (Smartphone, ordinateurs). Un objet de débit faible (en matières de transmission de données) aura surement une très faible consommation d'énergie et une connectivité réduite car il ne va envoyer que des petits messages de temps en temps. Le manque de solutions de connectivités adaptées à faible débit a déjà prouvé et restera comme l'un des obstacles majeurs à la réalisation de la croissance de l'industrie attendue en termes d'internet des objets. C'est dans ce cadre que la technologie SigFox intervient.

SigFox

Sigfox Node

SigFox est une entreprise française qui s'attaque au monde de l'internet des Objets. Leur ambition est de développer le plein potentiel de l'Internet des Objets en proposant un réseau global très bas débit hautement évolutif pour les objets connectés. Leur réseau capte actuellement 90% de la surface française avec plus de 100.000 objets connectés s'envoyant en moyenne 10 messages par jour. Pourquoi ce nombre ? Tout simplement afin d'économiser de la batterie tout en gardant des valeurs pertinentes. En effet, pour un capteur de température extérieure, émettre sa valeur toutes les 0.5 secondes n'est pas forcément pertinent. Son réseau machine-to-machine (M2M) a déjà passé les frontières pour envahir les Pays-Bas, Moscou ou encore Saint-Pétersbourg.

SigFox :

"The momentum of the Internet of Things is now building. The Internet changed our lives, and the Internet of Things will change us again."

Une nouvelle approche des Objets

Facilité d'utilisation
- Il n'y a pas de réseau local spécifique pour les équipements à installer lors de l'utilisation SIGFOX. Le réseau est toujours disponible et prêt à l'emploi. Facile à utiliser leur API d'intégration ainsi que des applications de gestion sont inclus dans le package de connectivité.
Fonctionnement
- Les objets sont directement connectés au réseau. Facile à utiliser leur API d'intégration ainsi que des applications de gestion sont inclus dans le package de connectivité.
Longue distance
- La technologie de réseau SIGFOX permet une très grande distance entre les objets et les émetteurs-récepteurs, ce qui permet au réseau de couvrir de grandes surfaces et d'atteindre souterrains et objets enterré.
- La technologie de SIGFOX permet une meilleure pénétration de réseaux cellulaires traditionnels tels que le GSM, tout en assurant la haute fiabilité de transfert de données et une consommation d'énergie radicalement inférieure à la normal.
Fréquence indépendante
Basse consommation d'énergie : Lorsque SIGFOX utilise 50 microwatts alors la même application en utilisant la technologie GSM/cellular consomme 5000 microwatts.
Bas Prix

Cas d'utilisation

Cas d'utilisation SigFox

Un cas d'utilisation existant est une application de détection d'incendie où l'objet de détecteur de fumée muni d'un modem compatible SIGFOX, transmet des données pour s'assurer que l'alarme fonctionne et envoie des messages d'alerte en cas d'incendie réel.

Les cas d'utilisation peuvent être très variés. Cela passe par de la surveillance (exemple précédent), à la relève de données, et passant par l'interaction dynamique et en temps réel des objets distants. Du moment que les différents appareils sont accessibles et connectés, toute interaction est possible et cela ne se limite pas au domaine d'application.

Technologies utilisées

Longe range

3G / satellite (consommation d'énergie, cher à mettre en place)

XBee ZB Pro : grande portée (7-12km)

Caractéristique
	XBee DigiMesh 2.4	XBee-PRO DigiMesh 2.4	XBee-PRO DigiMesh 2.4 (Int'l)
Indoor/Urban Range	30 m	90 m	60 m
Outdoor/RF Line-of-Sight Range	90m	1.6 km	750 m

LoRa

Protocole obéissant aux contraintes M2M,
Faible consommation d’énergie permettant de faire fonctionner des objets sur une pile ou des panneaux solaires pendant de nombreuses années,
Transmission (bi-directionnelle) longue portée jusqu’à 4km en condition urbaine et jusqu’à 15km en condition dégagée,
Débit de données adapté aux contraintes des capteurs,
Bonne pénétration à l’intérieur des bâtiments,
LoRa Mode : 0.24 to 37.5 kbps // FSK mode : 1.2 kbps to 250 kbps
Consommation : 12,5 mA (RX) // 120 mA (TX)

UNB (Ultra Narrow Band)

L'utilisation de l'UNB est essentielle à la fourniture d'un réseau de haute capacité, évolutif, à très faible consommation énergétique, tout en conservant une infrastructure cellulaire simple et facile au déploiement sous forme d’étoile.

ISM

Les bandes de fréquence ISM sont libres de droit. Il existe principalement 3 bandes de fréquences libres :

les bandes basses (liaisons domestiques telles que les téléphones DECT, les télécommandes de voitures, de portails...)
Les bandes 2,4 GHz ( réseaux sans fil types Wi-Fi, Bluetooth, transmetteur vidéo, baby phone... )
Les bandes 5,8 GHz (également les réseaux sans fil)

Différents Type d'antennes

Antenne isotrope et anisotrope

Nous pouvons également gagner en puissance d'émission et en stabilité non pas avec l'utilisation de protocoles, mais avec une bonne gestion d'antenne. En effet, un antenne isotrope va nous permettre d'envoyer uniformément des données dans toutes les directions. Concrètement à une antenne anisotrope qui va nous permettre de cibler une zone d'envoi, ce qui réduit la zone mais augmente la portée.

Short range

ZigBee : basse consommation, petite porté (10-100m)

Caractéristique
	Zigbee	Bluetooth	Wi-Fi
Autonomie avec pile	Années	Mois	Heures
Vitesse de transfert	250 kb/s	1 Mb/s	11-54-108-320-1000 Mb/s
Portée (environ)	100 m	10 m	300 m

Wavenis

Wavenis est une technologie développée par Coronis, société spécialisée dans le développement de solutions de communications sans fil. Cela se traduit par un protocole de communication longue distance, sans fil qui est devenu un standard mondial pour les applications M2M, et représente le parfait compromis entre basse consommation et longue portée. Cette technologie permet ainsi de faire communiquer des équipements ayant de fortes contraintes d’autonomie d’énergie et d’environnement (accès difficile, interférences, sécurité, pas d’arrivée électrique, etc.), et ce de façon bidirectionnelle.

Bandes de fréquence : 868, 433 ou 915MHz
Différentes gammes de puissance : 10 mW (1km), 500 mW (4km)
Transmission de données : 17mA (RX), 45 mA (TX)
Débits : 4.8kbps à 100kbps

Notes et références

Quelques commandes AT

Enregistrer le transmitter au sensor:

AT$REG

Active le controle de la batterie avec niveau faible (2.4V) et fort (2.9V) :

ATS502=1,2400,2900

Avec le suivi des températures de -5°C à 35°C :

ATS503=1, 3600, -5,35

passe en mode root :

ATS507=1

Save & Flash :

AT&W

Envoyer son propre message :

AT$SSMS=hello world

EA2014 IoT Communication

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