Comment choisir le bon protocole pour son réseau d’équipements IoT ?

Entre une caméra de surveillance HD et un traceur GPS intégré dans une benne à ordures, les besoins en communication des dispositifs connectés sont très différents. Les moyens pour le faire également. Entre deux objets intelligents, les façons de communiquer, la disponibilité et la masse des informations échangées sont parfois très différentes, voire antagonistes. Au cœur de l’échange d’informations, en fonction des contraintes matérielles et d’environnement, se pose la question du protocole de communication à choisir pour rentabiliser les fonctionnalités de ses objets connectés. Voici un tour d’horizon de la question.

Qu’est-ce qu’un protocole de communication ?

Un protocole de communication, en informatique, définit les manières de communiquer entre plusieurs dispositifs numériques.

Un ordinateur sans dispositif réseau, qu’il soit filaire ou sans-fil, ne peut s’insérer dans un maillage de machines. Un matériel possédant une simple carte réseau compatible peut convenir. Mais il peut convenir à la seule condition de se faire comprendre et de comprendre lui-même le langage et les débits de paroles des machines auxquelles il se connecte.

Dans la vie de tous les jours, on ne dit pas « Bonjour » de la même façon selon que l’on s’adresse à son enfant, à ses élèves, à son patron, à son marchand de journaux, à son conjoint, à sa mère ou à ses copains… Notons bien que l’information reste la même dans tous les cas : « Je vous souhaite le bonjour ». Toutefois, on dira bonjour au téléphone à l’un, on fera un câlin à l’autre, on prendra sa maman dans ses bras, on haussera le ton face à une audience, on écrira un message dans la messagerie instantanée de l’entreprise et, oui, on prendra le temps de prononcer des choses complètement ineptes à la boulangerie : « Bonjour, ah oui, fait pas chaud ç’matin, mais il vaut mieux un petit froid bien sec qu’une petite pluie fine et grasse. »

Tout diplomate vous le dira : quand deux responsables politiques échangent, les mots qu’ils emploient n’ont pas du tout la même signification que les mêmes mots utilisés dans le langage commun. Un ambassadeur ne dira jamais « non ». Il préférera répondre « peut-être ». Ainsi, si on ne possède pas les codes du langage, on ne comprend pas le message véritable qui se cache derrière un échange.

En informatique et, particulièrement dans l’univers de l’IoT, il se passe exactement la même chose. Tout est affaire de protocole lorsqu’il s’agit d’échanger des informations. Les protocoles sont différents selon le réseau auquel l’objet IoT appartient. Les différences se portent sur le langage utilisé, la distance, le délai, la fréquence, la qualité des connexions et le volume des messages à transmettre… et si ces derniers appellent à une réponse ou non.

Quelles questions se poser avant de choisir le bon protocole IoT ?

Quand on détermine le périmètre fonctionnel d’un projet IoT, chaque objet connecté concerné devra répondre à un cahier des charges précis pour bien jouer son rôle, au bon moment et dans les meilleures conditions. Ces questions sont très diverses : l’objet communiquera-t-il en permanence ou bien ponctuellement ? Devra-t-on pouvoir le piloter à distance ? Dans quel environnement sera-t-il installé ? Quelle sera la distance de la machine avec laquelle il doit communiquer ? Quelle sera l’amplitude des informations à échanger ?

Trancher entre le choix d’un ordinateur standard ou d’un ordinateur durci pour une utilisation en milieu industriel peut-être, a priori, à la portée de beaucoup de managers… S’assurer de la continuité sans faille d’un réseau de machines IoT ou IIoT (Industrial Internet Of Things) est une tâche bien plus complexe. En 2020, les technologies d’échange d’information entre objets connectés ne sont pas encore toutes standardisées. Choisir le bon protocole d’échange d’information ne s’improvise pas. Être accompagné par un professionnel de la question comme Integral System, partenaire IoT pour vos besoins sur-mesure, c’est donner toutes ses chances à son projet de perdurer dans le temps, de façon fiable et efficace.

Les protocoles de communication pour les objets connectés

Des protocoles de communication informatiques, nous en connaissons tous quelques-uns. Nous connaissons par exemple le HTTP : Hyper Text Transfert Protocol. Utiliser un navigateur web, c’est permettre à son ordinateur de communiquer avec toutes les machines qui comprennent et parlent le « http:// ». Et, donc, permettre d’afficher les contenus des pages web d’un site.

Pour un objet connecté, deux grands cas de figure se posent. Ils détermineront la plupart du temps le bon protocole à choisir.

Dans un premier cas, au sein d’un réseau « court » l’objet connecté communique dans un environnement clos, comme dans le cas d’une unité de production industrielle, une usine, ou un entrepôt de logistique. Prenons le cas d’une presse hydraulique, d’un tapis roulant ou d’un bras robotisé. Leurs échanges se font avec le réseau de l’entreprise qui sera chargé de faire remonter les informations et de les analyser.

Dans le second cas, dans un réseau à longue portée, l’appareil IoT s’interface avec une passerelle de communication, aussi appelée gateway, lui-même connecté au réseau de l’entreprise ou de la maison, et, surtout, à Internet (antenne-relais, routeur 4G, box,  modem, électricité…) Un gestionnaire de flotte de véhicules recevra les informations des déplacements de ses collaborateurs de façon plus complexe, à l’aide de plusieurs protocoles d’échanges longue portée par exemple.

Les protocoles pour les réseaux courts

Le Wi-Fi

Les réseaux IoT à courte portée sont souvent synonymes de WiFi. « Vieille » technologie, universelle et en perpétuelle évolution, le Wi-Fi permet de transporter beaucoup d’informations très rapidement (600Mbits/s au maximum). Protocole bidirectionnel, il permet de mettre à jour les micrologiciels des appareils IoT à distance et de prendre la main sur leur OS à travers le réseau.

Le Wi-Fi est idéal pour les caméras de surveillance HD, branchées 24h/24h. Inconvénient : c’est un protocole qui consomme beaucoup d’énergie et qui nécessite un raccord permanent au secteur ou à l’utilisation de batteries imposantes de grande autonomie.

Aujourd’hui nous sommes à la version 6 de ce protocole appelé WiFi 6 avec la norme 802.11 ax. Cette dernière mouture propose des débits théoriques allant jusqu’à 10Gb/s. Cette toute dernière génération est aussi appelée WiGig pour WiFi Gigabit.

Z-Wave, ZigBee

Z-Wave, ZigBee sont deux protocoles dédiés à la domotique qu’on peut retrouver également dans le domaine professionnel ou le secteur industriel. Le premier relaie les informations jusqu’à 30m, le second uniquement sur 10, mais permet de faire circuler 2,5 fois plus de données, jusqu’à 250 kilobits/s.

Les protocoles de domotique s’insèrent au sein d’un réseau maillé. C’est-à-dire qu’un objet connecté peut, le cas échéant, relayer les informations de son voisin si ce dernier en a besoin. Le réseau maillé peut ainsi, dans une certaine, mesure s’étendre au-delà du volume théorique de couverture du protocole.
Z-Wave et ZigBee nécessitent, comme le Wi-Fi, la présence d’une source électrique fiable à proximité.

Bluetooth et Bluetooth Low Energy

Le Bluetooth Low Energy est le protocole de communication sans-fil le plus utilisé dans le monde, puisque présent dans tous les smartphones et tous les PC portables (laptops) modernes. Il équipe également toutes les montres connectées et autres capteurs d’activité (wearables).

La version 5 du BLE promet des débits améliorés, jusqu’à 4Mbits/s. Sa portée est de 60m sur terrain sans obstacle et consomme très peu. Il est très utilisé sur batteries, de façon plus autonome, pour faire communiquer l’électronique embarquée en réseau court.

Wirepas

Protocole privilégié de l’industrie de l’énergie, et du mobilier urbain connecté, Wirepas fonctionne essentiellement sur batterie, en toute indépendance des infrastructures réseau.

Il s’appuie sur un autre protocole, le BLE, mais en multiplie les possibilités. Wirepas est essentiellement utilisé pour la gestion d’un grand nombre d’appareils IoT – théoriquement jusqu’à 4 milliards possibles sur un même réseau local (LAN). Wirepas s’apparente à un réseau Mesh pour créer des réseaux IoT scalable, évolutif, efficace et fonctionnel pour un coût adapté.

RFID et NFC

La Radio Frequency Identification n’a besoin d’aucune source énergétique pour fonctionner. C’est là son grand atout. La RFID sert à identifier des biens, des machines, des personnes, des animaux… On utilise le protocole pour de la gestion de stocks et la traçabilité des produits. On compte aujourd’hui plus de 20 milliards de tags (badges) RFID dans le monde.

La RFID nécessite un important investissement en matériel : badges, étiquettes, liseuses, etc. Son protocole évolue régulièrement et ses capacités aussi. Utilisé avec un autre protocole, le NFC, sa portée est de quelques centimètres. En UHF, la portée d’un tag RFID est de 15m. La Société Sigfox a mis au point une étiquette RFID d’une portée de 100m.

Les protocoles de communication pour les réseaux longs

Les protocoles de réseaux GSM

2G, 3G, 4G, 5G : les réseaux GSM sont des réseaux cellulaires. Le signal est capté par une antenne couvrant un certain volume de captation et est relayé au sein d’un réseau propriétaire puis à Internet.

De nos jours les réseaux 2G, 3G et 4G sont bien connus et largement utilisés notamment grâce à des routeurs 4G. L’industrie, les équipementiers ainsi que les constructeurs de machines sont particulièrement friands de ce type d’équipement. En effet il permettent de réaliser de la maintenance à distance sans une contrainte technique forte.

La 5G et ses performances hors normes à la latence très faible (temps de montée du signal de communication) est envisagée comme étant l’avenir de l’IoT. Elle est déjà en cours de déploiement en France, particulièrement dans les grandes métropoles au moment ou l’on écrit ces lignes.

Véhicules autonomes, transmissions vidéo, réseaux potentiellement mondiaux, télésurveillance personnelle, tracking de véhicules : les promesses sont grandes malgré une technologie énergivore. N’importe quel objet est en théorie interopérable sur la planète pourvu qu’il possède une carte SIM, une interface de communication et un abonnement à un opérateur de téléphonie.

Alors que la 5G n’est pas encore déployée en Europe, un consortium s’est déjà monté pour travailler sur la 6ème génération de téléphonie mobile appelée 6G piloté par Nokia et le projet Hexa-X

Sigfox et LoRa

Sigfox et LoRa (LoRaWan) sont des réseaux propriétaires utilisés également par les opérateurs les plus connus de téléphonie. Ils sont très développés en France et couvrent la quasi-totalité du territoire.

Leurs portées sur plusieurs dizaines de kilomètres en zones rurales, leurs très faibles consommations d’énergie, et leurs faibles coûts en font des protocoles IoT très prisés.

LoRa peut être utilisé et développé par une entreprise de façon entièrement autonome, pour intégrer elle-même son réseau en mode privé.

NB-IoT & LTE-M

Nous avons déjà largement discuté de ces 2 protocoles GSM pour l’IoT et l’IIoT nommé NB-IoT et LTE-M dans ce blog.  Cependant ce sont 2 nouveaux protocoles de communication IoT qui sont actuellement déployés respectivement par SFR et Orange en France et qui sont basés sur les réseaux 4G et prêt pour un fonctionnement sur les futurs réseaux 5G.

En conclusion on comprendra aisément que le choix d’un protocole réseau pour vos projets IoT n’est que finalement très peu lié à la technique. Par contre il est particulièrement tourné vers des problématiques logistiques et architecturales ainsi que environnementale. En effet il existe des solutions que ce soit dans l’acquisition de données ou les passerelles pour communiquer avec n’importe qu’elle technologie. Par contre les contraintes physiques sont à prendre en compte au tout début du projet.