La révolution de l'Internet des objets est en cours. D'ici 2020, le monde comptera plus de 30 milliards d'objets connectés. Dans un monde dont la population s'accroît et dont les ressources deviennent plus précieuses, cette interconnexion promet de fournir des données réelles pour stimuler les rendements et rationaliser les méthodes des entreprises.
Grâce à l'acceptation généralisée du protocole IP (Internet Protocol), il est de plus en plus facile de traiter les données et d'exploiter efficacement les informations. Des sociétés du Fortune 500 fournissent des solutions de base de données à l'échelle de l'entreprise pour le stockage des données et des outils logiciels pour les processus d'entreprise tels que suivi des actifs, systèmes de contrôle des procédés et systèmes de gestion des bâtiments (voir figure 1). Smartphones et tablettes fournissent aux gens des informations utiles et exploitables telles que des renseignements sur le parking ou le contrôle de l'état des machines pour déterminer les calendriers de maintenance. De plus, bien que des capteurs sans fil soient déjà en place, il existe un grand appétit pour plus de données de capteur afin de mesurer et d'optimiser des processus qui n'ont jamais été mesurés jusqu'ici.
Afin de permettre le déploiement à grande échelle des capteurs, les normes IP font l'objet de travaux visant à rendre l'accès aux petits capteurs sans fil aussi facile que l'accès aux serveurs Web. Ces travaux résultent de la confluence de deux facteurs : les performances éprouvées, à faible consommation d'énergie et grande fiabilité, des réseaux maillés synchronisés et les efforts portant sur les normes IP actuelles en vue d'une intégration lisse dans Internet. La conjugaison de ces facteurs se traduira par des capteurs relativement petits et consommant peu d'énergie qui communiqueront de manière fiable et seront compatibles IP.
Défis posés par les réseaux pour les capteurs sans fil
Étant donné que, de par sa nature, le sans fil n'est pas fiable, il est important de comprendre pourquoi afin de pouvoir en tenir compte dans les systèmes de communication. Dans les réseaux sans fil à faible puissance, les principales raisons du manque de fiabilité sont les interférences externes et l'évanouissement multivoie. Les interférences se produisent quand un signal externe (Wi-Fi, p. ex.) empêche provisoirement deux radios de communiquer. Elles doivent alors retransmettre, ce qui leur fait consommer plus d'énergie. L'évanouissement multivoie se produit quand un signal sans fil est réfléchi par des objets voisins de l'émetteur et que les divers échos provoquent des interférences au niveau de l'antenne du récepteur. Ce phénomène est fonction de la position des appareils, de la fréquence utilisée et du milieu environnant. Étant donné que le milieu environnant de tout système sans fil change au fil du temps, tout canal à fréquence RF unique connaîtra des problèmes au cours de la vie d'un système sans fil.1 Toutefois, l'évanouissement multivoie dépend de la fréquence. Par conséquent, bien qu'il puisse y avoir un problème pour une fréquence, plusieurs autres fréquences RF fonctionneront sans problème. À cause des interférences et de l'évanouissement multivoie, la clé de la création d'un système sans fil fiable consiste à utiliser de multiples canaux et voies sans sacrifier la faible consommation d'énergie. Dust Networks (qui est maintenant une filiale de Linear Technology) a créé un tel système avec son réseau maillé à saut de canaux synchronisé.
Réseaux maillés à saut de canaux synchronisés
Dans un réseau maillé à saut de canaux synchronisé, tous les nœuds sans fil d'un réseau à sauts multiples sont synchronisés avec une précision de quelques dixièmes de microsecondes et le temps est divisé en créneaux. La communication est orchestrée par un programme qui indique à chaque nœud ce qu'il doit faire (transmettre, recevoir, se mettre en veille) dans chaque créneau. Étant donné que les nœuds sont synchronisés, chacun d'entre eux n'allume sa radio que quand il communique, ce qui réduit considérablement le cycle de service des radios (fréquemment <1 %) et prolonge la durée des piles. De plus, puisque le programme est souple, le réseau est toujours disponible pour l'application, à la différence d'autres architectures de réseaux « dormeurs » qui éteignent complètement le réseau pour des périodes prolongées. Pour chaque paquet envoyé entre deux nœuds, la fréquence utilisée est calculée au moyen d'un schéma de saut pseudo-aléatoire. La diversité de fréquence qui en résulte est un moyen efficace de combattre les interférences et l'évanouissement multivoie. Les réseaux maillés synchronisés permettent d'obtenir une durée de pile de 10 ans et une fiabilité de bout en bout >99,999 %.
Afin de permettre le déploiement à grande échelle des capteurs, les normes IP font l'objet de travaux visant à rendre l'accès aux petits capteurs sans fil aussi facile que l'accès aux serveurs Web. Ces travaux résultent de la confluence de deux facteurs : les performances éprouvées, à faible consommation d'énergie et grande fiabilité, des réseaux maillés synchronisés et les efforts portant sur les normes IP actuelles en vue d'une intégration lisse dans Internet. La conjugaison de ces facteurs se traduira par des capteurs relativement petits et consommant peu d'énergie qui communiqueront de manière fiable et seront compatibles IP.
Défis posés par les réseaux pour les capteurs sans fil
Étant donné que, de par sa nature, le sans fil n'est pas fiable, il est important de comprendre pourquoi afin de pouvoir en tenir compte dans les systèmes de communication. Dans les réseaux sans fil à faible puissance, les principales raisons du manque de fiabilité sont les interférences externes et l'évanouissement multivoie. Les interférences se produisent quand un signal externe (Wi-Fi, p. ex.) empêche provisoirement deux radios de communiquer. Elles doivent alors retransmettre, ce qui leur fait consommer plus d'énergie. L'évanouissement multivoie se produit quand un signal sans fil est réfléchi par des objets voisins de l'émetteur et que les divers échos provoquent des interférences au niveau de l'antenne du récepteur. Ce phénomène est fonction de la position des appareils, de la fréquence utilisée et du milieu environnant. Étant donné que le milieu environnant de tout système sans fil change au fil du temps, tout canal à fréquence RF unique connaîtra des problèmes au cours de la vie d'un système sans fil.1 Toutefois, l'évanouissement multivoie dépend de la fréquence. Par conséquent, bien qu'il puisse y avoir un problème pour une fréquence, plusieurs autres fréquences RF fonctionneront sans problème. À cause des interférences et de l'évanouissement multivoie, la clé de la création d'un système sans fil fiable consiste à utiliser de multiples canaux et voies sans sacrifier la faible consommation d'énergie. Dust Networks (qui est maintenant une filiale de Linear Technology) a créé un tel système avec son réseau maillé à saut de canaux synchronisé.
Réseaux maillés à saut de canaux synchronisés
Dans un réseau maillé à saut de canaux synchronisé, tous les nœuds sans fil d'un réseau à sauts multiples sont synchronisés avec une précision de quelques dixièmes de microsecondes et le temps est divisé en créneaux. La communication est orchestrée par un programme qui indique à chaque nœud ce qu'il doit faire (transmettre, recevoir, se mettre en veille) dans chaque créneau. Étant donné que les nœuds sont synchronisés, chacun d'entre eux n'allume sa radio que quand il communique, ce qui réduit considérablement le cycle de service des radios (fréquemment <1 %) et prolonge la durée des piles. De plus, puisque le programme est souple, le réseau est toujours disponible pour l'application, à la différence d'autres architectures de réseaux « dormeurs » qui éteignent complètement le réseau pour des périodes prolongées. Pour chaque paquet envoyé entre deux nœuds, la fréquence utilisée est calculée au moyen d'un schéma de saut pseudo-aléatoire. La diversité de fréquence qui en résulte est un moyen efficace de combattre les interférences et l'évanouissement multivoie. Les réseaux maillés synchronisés permettent d'obtenir une durée de pile de 10 ans et une fiabilité de bout en bout >99,999 %.
En dehors du secteur des procédés industriels, les systèmes StarMesh ont été déployés avec succès dans des centres de données et dans des bâtiments commerciaux pour optimiser les coûts de climatisation.3 Streetline Networks4 est un fournisseur de dispositifs de parking intelligents contrôlant la disponibilité en temps réel des places de parking dans les villes. Des détecteurs de véhicule sont installés sous les places de parking, dans la chaussée et au niveau de la route. Ceci présente des défis car l'antenne souterraine du dispositif capteur est couverte par un véhicule en métal lorsque la place est occupée. Des applications de ce type, auparavant considérées comme impossibles ou peu réalistes, sont maintenant déployées avec des réseaux maillés à saut de canaux synchronisés.
Un monde basé sur les normes
Les normes jouent un rôle important dans la technologie des réseaux car les utilisateurs finaux réclament le développement de solutions basées sur les normes. Le fait de savoir qu'une technologie a été développée et approuvée par un des principaux organismes de normalisation inspire confiance. WirelessHART/IEC62591 est la norme pour les processus industriels mais, en dehors de ce marché, le protocole IP est la norme de communication.
Tous les appareils connectés à Internet utilisent IP pour communiquer les uns avec les autres. Chaque appareil acquiert une adresse IP qui l'identifie sans ambigüité sur Internet. Les paquets de données échangés contiennent une en-tête, qui est une série d'octets codant les adresses de l'appareil qui a créé le paquet et de l'appareil destinataire. De nombreux autres protocoles sont requis pour former un empilement de protocole (TCP, HTTP, etc.), mais le protocole IP en est le commun dénominateur. La possibilité pour les dispositifs à réseaux maillés à faible consommation d'énergie de se connecter à Internet via le protocole IP a substantiellement contribué au développement de l'Internet des objets.
Plusieurs organismes de normalisation ont élaboré des normes pour l'Internet des objets (voir figure 3). La difficulté est de permettre une intégration Internet totale tout en incorporant les principes éprouvés des réseaux maillés à saut de canaux synchronisés. Le groupe de travail CoRE de l'IETF (Internet Engineering Task Force, organisme de normalisation sur lequel reposent la plupart des protocoles actuellement utilisés par Internet) a défini le protocole de couche d'application CoAP (Constrained Application Protocol). Le protocole CoAP s'exécute par-dessus le protocole UDP et il est facilement traduit en HTTP, permettant une interaction de type Web avec les nœuds de capteurs sans fil. Le groupe de travail 6LoWPAN a défini une couche d'adaptation IP qui comprime les en-têtes volumineuses d'un paquet IP en petits paquet de données ou trames sans fil, permettant des envois individualisés par adresse IP aux nœuds de capteurs. Bien que ces couches supérieures permettent l'interaction type Web et l'intégration Internet, ce sont les couches de protocole des niveaux inférieurs qui déterminent la qualité des communications réseau des capteurs sans fil.
En règle générale, les normes définies par l'IETF sont appliquées sur les puces radio conformes à la norme IEEE802.15.4. La norme IEEE802.15.4 offre un compromis équitable entre le débit de données (250 kbps), la portée (dizaines à centaines de mètres), la consommation d'énergie (5 à 20mA en mode d'émission ou de réception) et la taille des paquets (jusqu'à 127 octets). Grâce à ce compromis, la norme IEEE802.15.4 est bien adaptée à la technologie des réseaux maillés à faible consommation et est devenue la technologie de liaison de facto pour ces réseaux.
En 21012, l'IEEE a publié la norme IEEE802.15.4e, une nouvelle norme d'accès au support destinée aux radios conformes à la norme IEEE802.15.4. Son mode de saut de canaux en créneaux affectés (Time Slotted Channel Hopping, TSCH) incorpore les principes du protocole maillé synchronisé de Dust Networks afin de permettre une synchronisation précise par canaux affectés et le saut de canaux RF.
La norme IEEE802.15.4e définit le mécanisme permettant à deux nœuds d'établir un transfert de paquet de données synchronisé, mais elle ne spécifie pas les modalités d'affectation d'un programme à chaque nœud. Le programme de communication confère aux réseaux TSCH la souplesse requise pour répondre aux besoins de communication des nœuds dans le réseau (voir figure 4). Par exemple, un réseau peut être configuré pour de petits réseaux à faibles débits de données et consommation d'énergie extrêmement réduite du type courant dans le domaine de la surveillance d'environnement à distance. Le même réseau peut être configuré en tant que grand réseau optimisé pour offrir un débit de données accéléré. De plus, un programme automatiquement affecté mais souple permet aux réseaux TSCH de s'adapter au milieu environnant. Plus précisément, les fonctions de réseau telles que l'auto-rétablissement, l'optimisation du routage et l'équilibrage des charges, qui sont validées par l'établissement des programmes, sont essentielles pour que le réseau fournisse de hautes performances pendant toute sa durée de service. Des solutions pour établir et affecter le programme TSCH peut être développées mais, tant que des normes n'auront pas été définies, ces solutions ne seront pas interopérables par la voie des ondes.
Cette situation est toutefois en train de changer avec le nouveau projet de normalisation de l'IETF appelé « Deterministic IPv6 over IEEE802.15.4e Time Slotted Channel Hopping 5 (6TiSCH) ». Co-présidé par Linear Technology et Cisco Systems, ce projet définira les protocoles de communication manquants pour permettre la gestion du programme TSCH par une entité de programmation.
En comblant cette dernière lacune de l'empilement de protocole IP, 6TiSCH validera des réseaux de capteurs sans fil IP interopérables et totalement normalisés assurant le niveau de fiabilité normalement associé aux solutions câblées. Les concepteurs Web seront en mesure de demander des données de capteur en temps réel en présentant des requêtes Web à l'adresse IP d'un capteur et le réseau de capteurs sans fil sous-jacent prendra en charge ce type de communications avec un taux de fiabilité des données >99,999 %. En rendant les capteurs aussi facilement accessibles que des serveurs Web, les réseaux de capteurs sans fil transmettront des informations en temps réel à l'Internet des objets.