Comment les objets électroniques prennent-ils soin de notre maison en notre absence?
   Comment les objets électroniques prennent-ils soin de notre maison en notre absence?

Transmission d'un message

Après avoir étudié la nature et la propagation des ondes électromagnétiques, nous allons maintenant pouvoir présenter les différents moyens de transmission d’un message entre les objets connectés.

 

La distance maximale entre les objets est déterminée par le type de technologie radio employée. Cette portée maximale est liée à la puissance de sortie, la sensibilité du récepteur et la fréquence.

 

Le débit est la quantité de données qui peuvent être transmises par la liaison sans fil par unité de temps.

 

En fonction du nombre de données à transmettre, il faudra choisir une technologie aux débits adaptés, et ce afin de réduire le temps de transmission de ces données et ainsi gagner en consommation d’énergie.

 

Le graphique ci-dessous présente les caractéristiques des différentes technologies radiofréquences, en termes de portée et de débit:

Wi6Labs

Les réseaux courte portée

Certaines communications entre objets connectés sont de courte portée, c’est à dire que la distance entre émetteur et récepteur est très courte. L’échange de données peut se faire par contact physique entre l’émetteur et le récepteur, par exemple grâce à un port ethernet ou à un port USB.

La transmission peut également se faire via le NFC (Near Field Communication ou communications en champ proche).  Cette technologie de communication de proximité (inférieure à 10 cm) permet d'échanger des données entre un lecteur et n'importe quel terminal mobile ou entre les terminaux eux-mêmes et ce, à un débit maximum de 424 Kbits/seconde. À titre d’exemple, la technologie NFC est utilisée aujourd’hui dans les paiements carte bancaire sans contact.

La communication courte-portée peut se faire aussi grâce à une puce RFID (Radio Frequency IDentification).  Cette puce électronique est constituée d’une antenne ainsi que d’un microprocesseur et n’a pas besoin d’énergie externe pour fonctionner. Ce système permet de stocker et de récupérer des données à distance en utilisant des dispositifs tels que des balises, des cartes, des transpondeurs ou des tags RFID. Lorsque le lecteur (par exemple une porte de garage) va demander à recevoir des données, il va transmettre le message de demande par des ondes qui vont également alimenter l’émetteur (par exemple, la voiture) qui, en retour, va transmettre les informations désirées et stockées sur la puce électronique (la porte de garage s'ouvre à l'approche du véhicule). 

Les réseaux moyenne portée

Lorsque la distance entre l’émetteur et le récepteur est plus importante que celle vue précédemment, la communication entre objets connectés se fera via des réseaux moyenne portée.  Ces réseaux fonctionnent principalement avec l’utilisation d’un Hub d’interface entre l’internet virtuel et les objets connectés. Grace à ce processus, les objets communiquent directement au Hub et sont ainsi connectés à internet. Les technologies qui utilisent ce moyen de communication sont le Bluetooth, le Wi-fi, Zigbee et Z-wave. Ces réseaux fonctionnent lorsqu’un smartphone utilise lui même le Wi-fi ou le Bluetooth, ils sont donc adaptés pour le grand public. Les deux dernières technologies citées (Zigbee et Z-wave) sont souvent utilisées dans les maisons connectées (éclairage connecté, volets connectés...) car elles permettent une communication moyenne portée en employant des radiofréquences dédiées aux réseaux personnels (dans la bande des 868 MhZ ou de 2,4 GHz). De plus, ces deux technologies consomment peu d’énergie et peuvent avoir une portée de cinquante mètres. 

Exemple d'architecture Wifi : centralisée - www.ryallconnected.com

En général, les systèmes "smart hub" utilisent une base centrale pour coordonner la communication entre les objets connectés : la transmission des messages se fait via cette base.

La technologie Bluetooth est une technologie de réseaux sans fils d'une moyenne portée dont l’objectif est de simplifier les connexions entre les appareils électroniques en supprimant des liaisons filaires. Les objets connectés peuvent ainsi communiquer via Bluetooth sans avoir besoin d’une ligne de vue directe, ce qui rend leur utilisation plus souple et permet, notamment dans les maisons connectées, une communication des objets d'une pièce à une autre. Le Bluetooth utilise des ondes radio ultra haute fréquence (2400–2483.5 MHz).

Le picoréseau est un mini-réseau qui se crée de manière instantanée et automatique quand plusieurs périphériques Bluetooth sont dans un même rayon. Un picoréseau s’organise selon une topologie en étoile : il y a un « maître » (le smartphone par exemple) et plusieurs « esclaves » (les objets connectés). Un périphérique « maître » peut administrer jusqu’à 7 esclaves « actifs » et 255 esclaves en mode « parked », c'est à dire inactif, que le maître peut mettre en état actif à tout moment.

La communication est directe entre le « maître » et un « esclave ». Les « esclaves » ne peuvent pas communiquer entre eux.

Tous les « esclaves » du picoréseau sont synchronisés sur l'horloge du « maître ». C'est le « maître » qui détermine la fréquence de saut pour tout le picoréseau.

Schéma d’un picoréseau

Pour les objets connectés, le Bluetooth est indispensable. Il permet de transmettre des informations entre plusieurs appareils sans consommer trop de données et surtout avec une interopérabilité presque parfaite.

Le Wi-fi (contraction de Wireless Fidelity) est une technologie de transmission Haut-Débit sans fil qui utilise les ondes radio. Il s’agit d’un ensemble de protocoles de communication sans fil qui permet de relier par ondes radio plusieurs appareils informatiques (ordinateur, routeur, smartphone etc.) au sein d'un réseau informatique afin de permettre la transmission de données entre eux (54 Mbit/s théoriques, 27 Mbit/s réels). Les réseaux locaux s’appuient sur des ondes ultra haute fréquence (2.4 GHz ou 5 GHz). 

Deux éléments sont indispensables au fonctionnement d’un réseau WiFi : un modem WiFi qui est relié à une prise téléphonique ainsi qu’un adaptateur WiFi qui permettra la communication entre l’objet connecté et le modem. 

La portée de la transmission peut atteindre plusieurs dizaines de mètres en intérieur (entre 20 et 50m en intérieur) s'il n'y a aucun obstacle gênant (mur en béton par exemple) entre l’émetteur et l’utilisateur.

Schéma fonctionnement Wifi - Materiel.net

La communication MESH:

Certains objets connectés communiquent non pas vers un récepteur unique, ni vers un Hub, mais vers d’autres objets connectés.

La technologie Mesh permet à ces objets de se connecter entre eux, d’une façon dynamique et/ou statique et instantanée, sans point d’accès central, formant ainsi une structure en forme de réseau maillé qui atteint le Hub, connecté à l’internet.

Ce réseau maillé a pour avantage de supporter un grand nombre d’applications pour la maison connectée. En effet, il peut supporter jusqu’à 300 appareils qu’ils soient des objets connectés, des capteurs, des ordinateurs, des smartphones et dispose de temps de réponse sous les 100 ms.

 

Ce système de transmission doit être programmé de manière précise afin que tous les objets connectés émettent leurs messages de manière synchronisée pour éviter les interférences entre les émissions et réceptions des données.

 

Dans le schéma ci-dessous,  nous pouvons observer le processus de transmission des objets connectés entre eux à la technologie Mesh:

Exemple d'architecture Wifi : Mesh - www.ryallconnected.com

Les réseaux longue portée

Lorsque les objets connectés ont besoin de communiquer sur de longue distance, ou dans des  zones difficilement accessibles, les solutions de la communication courte portée et de la communication par Hub ne sont pas suffisantes. Il est donc dans ce cas nécessaire de s’appuyer sur un réseau cellulaire qui permet une connexion en tout lieu couvert par les antennes.

 

Les objets connectés comme nos smartphones par exemple peuvent utiliser des réseaux cellulaires comme la 3G ou la 4G. Ces réseaux cellulaires permettent une connexion en tout lieu si ce lieu est couvert par des antennes. Ils peuvent donc transmettre des données et transférer des informations en très haut débit mais ils consomment beaucoup trop d’énergie. Pour cela, il existe aussi des réseaux qui sont totalement dédiés aux objets connectés qui sont les réseaux Sigfox et LoRa. Ces deux dernières nouvelles technologies permettent à des objets connectés de faire transiter des données sur des basses fréquences et sur de vastes distances tout en consommant beaucoup moins d’énergie. Chaque objet peut transmettre entre 0 et 140 messages par jour sur la bande 868 MHz.

Schéma d’architecture d’un réseau SigFox - www.frugalprototype.com
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Antoine, Théo, Victor