La plupart du battage médiatique de l'IdO ("Internet des objets") concerne une vision futuriste qui a des milliards d'appareils générant des flux de données massifs qui seront alimentés dans des systèmes avancés d'apprentissage automatique et d'IA ("Intelligence artificielle") pour créer une énorme valeur commerciale . Cependant, souvent éclipsé dans ces discussions grandioses, c'est le matériel IoT qui rend tout cela possible.

Qu'est-ce que l'IdO?

L'IdO est un système d'appareils de détection, de serveurs et de personnes connectés via des réseaux IP ("Internet Protocol"). Les dispositifs de capteur capturent et traitent les données des capteurs, transmettent les données des capteurs à des serveurs où les données sont stockées et traitées conjointement avec d'autres données, souvent des données historiques, provenant de sources disparates pour fournir une visibilité opérationnelle et générer de nouvelles informations sur lesquelles les gens peuvent agir. ou par des systèmes automatisés.

L'IdO est un changement de paradigme par rapport aux systèmes de surveillance et d'alarme autonomes et intégrés verticalement qui isolent les données et qui ne peuvent fournir que des rapports et des alertes préprogrammés. Alors que ces systèmes hérités sont limités à des voies de communication 1: 1 (un à un) ou 1: N (un à plusieurs), les systèmes IoT permettent des voies de communication M: N (plusieurs à plusieurs) qui permettent aux développeurs reconfigurer les systèmes existants pour créer de nouvelles applications IoT qui n'avaient pas été conçues auparavant.

Les dispositifs de détection sont composés de quatre éléments clés : capteurs, processeurs, interfaces réseau et sources d'alimentation.

Sensors

Sans capteurs, il n'y a pas de données IoT.

Au niveau de base, tous les capteurs IoT génèrent des signaux électriques analogiques qui sont proportionnels à une propriété physique. Ensuite, ces signaux analogiques sont convertis en données numériques à l'aide d'ADC ("Analog-to-Digital Converter").

Les capteurs peuvent mesurer des propriétés électriques simples telles que la tension, le courant, la résistance, la capacité, l'inductance et l'impédance. Ils peuvent également mesurer la force et la direction des champs électriques et magnétiques, en particulier ceux qui changent, à travers le spectre électromagnétique des ondes radio à la lumière aux rayons gamma.

Pour les capteurs qui mesurent des propriétés non électriques, un transducteur convertit les propriétés physiques en signaux électriques analogiques.

Les propriétés physiques courantes sont :

• Paramètres spatiaux tels que l'accélération, la vélocité/vitesse, les vibrations et le déplacement/position/déviation.
• Propriétés environnementales telles que la température et l'humidité.
• Dynamique des fluides des liquides ou des gaz tels que le son, la pression et les débits.

Les capteurs peuvent être passifs ou actifs. Les capteurs actifs émettent des ondes radio, lumineuses ou sonores dans l'environnement et détectent les réflexions à l'aide d'un récepteur qui les transforme en mesures. Bien que les capteurs passifs n'émettent pas d'ondes dans l'environnement, cela ne signifie pas que les capteurs passifs ne sont pas alimentés. En fait, de nombreux capteurs passifs génèrent des champs électriques ou magnétiques et détectent les modifications de ces champs en tant que mécanisme de détection.

Les capteurs numériques avancés tels que les GPS, les radars, les détecteurs chimiques, les gyroscopes ou les appareils photo numériques utilisent plusieurs éléments de détection analogiques pour prendre des mesures. Ensuite, des algorithmes sophistiqués traduisent ces mesures brutes en données de capteur utiles.

Processeurs

Une fois les données du capteur capturées, elles doivent être traitées avant de transmettre les résultats au cloud. Le niveau de traitement varie considérablement en fonction de la complexité du capteur et de la quantité de traitement de données nécessaire pour générer les données de capteur résultantes. Un exemple simple est qu'une lecture de température peut être une valeur de données unique ou une moyenne d'un ensemble de valeurs dans le temps. Un exemple plus complexe est une caméra de sécurité qui peut ne pas enregistrer de vidéo numérique à moins qu'un algorithme de détection de scène ne signale un événement.

En fonction de la complexité et de la puissance de traitement requises, il existe quatre classes de plates-formes de traitement pour le matériel IoT : PC, systèmes mobiles, systèmes embarqués à base de microprocesseur (MPU) et systèmes embarqués à base de microcontrôleur (MCU).

	PC	Breeze Mobile	MPU embarqués	MCU intégré
Processeur	x86 (32/64) bits	Varie (32/64 bits)	Varie (32/64 bits)	Varie (8/32 bits)
Vitesse d'horloge / cœurs	GHz / Multicœur	GHz / Multicœur	Variable	MHz / Monocœur
Mémoire	DRAM (Go)	DRAM (Go)	DRAM (Mo/Go)	SRAM (ko/Mo)
Stockage	Disque dur/SSD (To)	SSD / Carte SD (Go)	Disque dur/SSD (Go), Flash (Mo), Carte SD (Go)	Flash NOR/NAND (ko/Mo)
Autobus périphérique	USB, PCIe	USB-OTG	USB, TWI, I2C, SPI, USART, Propriétaire	TWI, I2C, SPI, USART
Coût système moyen	100 $ à 3,000 XNUMX $	$ 100 1,000 à XNUMX XNUMX $	Variable	5$ - 50$
Réseautage	Ethernet, Wi-Fi™, Bluetooth™	Wi-Fi™, Bluetooth™, NFC	Variable	RF ou BLE™ propriétaire
Graphiques	Graphiques intégrés ou carte graphique	Graphiques intégrés	Variable	Affichage simple de texte ou de caractères
Refroidissement	Actif (fans)	Revenu	Actif ou passif	Généralement pas nécessaire
Puissance	Alimenté par le secteur (bureau) Batterie Li-Ion rechargeable (ordinateur portable)	Batterie Li-Ion rechargeable	Alimenté par la ligne	Alimenté par pile

Systèmes basés sur PC

Le PC est la plate-forme ultimement configurable qui permet aux intégrateurs de systèmes de créer facilement des systèmes personnalisés à partir de cartes mères, de processeurs, de mémoire, d'alimentations et de boîtiers peu coûteux et largement disponibles. Les disques durs téraoctets ou SSD ("Solid State Drive") peuvent fournir de grandes capacités de stockage de données. Les périphériques peuvent être connectés via des bus USB (« Universal Serial Bus ») ou PCIe (« Peripheral Component Interconnect Express ») basés sur des normes modernes, et il existe encore des options pour prendre en charge les bus périphériques PC hérités tels que RS-232/RS-422/ RS-485.

De plus, il existe même des cartes de processeur d'extension qui incluent des DSP, des FPGA, des GPU ou des E/S à grande vitesse pour répondre aux besoins des applications spécialisées.

Bien que les PC aient un excellent rapport prix/performances, ils sont basés sur une technologie de qualité grand public qui a tendance à avoir des cycles de vie courts et peut ne pas convenir aux applications en dehors des environnements de bureau ou domestiques.

Une alternative aux PC sont les SBC ("Single Board Computer") qui sont basés sur la technologie PC, mais conçus pour les applications embarquées avec des composants industriels robustes pour fournir des performances fiables dans des environnements d'exploitation difficiles.

Étant donné que les SBC ont des composants de qualité supérieure et que les volumes de production des SBC sont relativement faibles, ils sont plus chers que le matériel basé sur PC aux performances équivalentes. Cependant, ils ont généralement de longs cycles de vie pouvant aller jusqu'à une décennie.

Les systèmes basés sur PC exécutent généralement les systèmes d'exploitation Windows ou Linux.

Systèmes mobiles

Les systèmes mobiles sont un sous-ensemble spécialisé de systèmes embarqués optimisés pour les tablettes et les smartphones qui sont des appareils alimentés par batterie qui nécessitent des recharges fréquentes. Bien que ces appareils intrinsèquement personnels offrent des capacités de traitement hautes performances, ils disposent également de capacités avancées de gestion de l'alimentation du système qui leur permettent d'économiser de l'énergie, ce qui prolonge la durée de vie de la batterie.

Les systèmes mobiles ont généralement de nombreux capteurs intégrés, dont 1 ou 2 appareils photo numériques, un accéléromètre 3D, un gyroscope, un capteur tactile, un baromètre, un capteur de proximité, un magnétomètre (boussole), un capteur de lumière ambiante et un récepteur GPS.

Malheureusement, les systèmes mobiles ont des capacités d'extension très limitées.

Alors que les systèmes basés sur Android peuvent permettre une extension via des appareils USB OTG ("On-The-Go"), les systèmes basés sur Apple n'autorisent que 3^rd appareils tiers via le programme de licence MFI ("Made-for-iPod").

Les systèmes mobiles ont un rapport prix/performance relativement élevé. Ce sont des appareils personnels basés sur une technologie grand public avec des cycles de vie courts. Ils sont limités à un fonctionnement dans des environnements intérieurs ou extérieurs doux, et ils sont également relativement fragiles et susceptibles d'être endommagés par des chutes à moins qu'ils ne soient enfermés dans un 3^rd boîtier renforcé de fête.

Bien qu'il existe quelques autres options, Android de Google et iOS d'Apple sont les environnements logiciels les plus dominants pour les systèmes mobiles.

Systèmes embarqués basés sur un microprocesseur (MPU)

Les systèmes embarqués basés sur MPU offrent la gamme la plus large possible d'options de performances et de capacités qui sont optimisées pour répondre aux exigences spécifiques des produits pour l'électronique grand public, les commandes industrielles, les dispositifs médicaux, les commandes automobiles, les systèmes de communication ou d'autres applications du marché vertical.

Ils sont généralement basés sur des circuits intégrés spécifiques à l'application ("circuits intégrés") tels que les SoC ("System-on-Chip") ou les SIP ("System-in-Package") qui ont des cœurs intégrés au niveau de la puce qui simplifient l'effort de conception et fournir des solutions optimisées en termes de coûts pour des niches de produits spécifiques.

Les MPU exécutent généralement des systèmes d'exploitation multitâches à usage général ou RTOS (« système d'exploitation en temps réel ») qui fournissent des réponses déterministes pour les applications basées sur le contrôle.

Alors que la plupart des systèmes embarqués sont entièrement conçus sur mesure, certains SoC sont disponibles dans des facteurs de forme SOM ("System-on-Module") avec des connecteurs homologues standardisés. Les SOM permettent aux développeurs d'éviter le travail long et difficile de conception d'un système embarqué personnalisé à partir de zéro. Au lieu de cela, les concepteurs peuvent se concentrer sur la conception de circuits imprimés porteurs et sur le développement de logiciels pour personnaliser leur produit.

Les systèmes embarqués basés sur MPU peuvent exécuter Linux ou une variété d'autres RTOS commerciaux ("système d'exploitation en temps réel").

Systèmes embarqués basés sur un microcontrôleur (MCU)

Les systèmes embarqués basés sur MCU fournissent des solutions à très faible coût pour les applications avec des exigences de traitement limitées.

Cependant, certains microcontrôleurs avancés intègrent des modules matériels spécialisés pour accélérer le traitement des images ou des fonctions de sécurité telles que l'accélération cryptographique pour l'échange de clés publiques/privées, le hachage et le TRNG ("True Random Number Generation").

Les systèmes basés sur MCU peuvent être très économes en énergie car ils disposent d'un contrôle de puissance précis du processeur, des périphériques et des horloges. Avec des sources de réveil internes ou externes à puissance optimisée, il est possible de créer des produits à très faible consommation qui peuvent durer de nombreuses années sans nécessiter de charge de batterie.

Le logiciel système peut être une simple boucle d'exécution plus un gestionnaire d'interruption ou il peut exécuter un RTOS à faible encombrement.

Interfaces réseau

Alors que certains matériels IoT se connectent via des réseaux physiques tels qu'Ethernet, il est beaucoup plus courant de se connecter à Internet via des réseaux sans fil tels que Wi-Fi™ ou cellulaire.

Puissance vs portée vs débit de données

Les compromis de conception classiques pour les systèmes de communication sans fil sont une faible consommation d'énergie, une longue distance ou un débit de données élevé. (Choisis en deux!)

Type de réseau	Catégorie	Puissance	Data Rate	Autorisé	Fréquences
Wi-Fi™ (802.11a/b/g/n/ac/ax)	Moyenne	Haute	Haute	Non	2.4 / 5 GHz
Blanc-Fi / Super Wi-Fi (802.11af)	Location	Moyenne	Moyenne	Non	54-698 MHz
HaBas (802.11ah)	Location	Moyenne	Moyenne	Non	915 MHz
Bluetooth ™	Shorts	Moyenne	Moyenne	Non	2.4 GHz
Bluetooth™ basse consommation (BLE)	Shorts	Faible	Faible à moyen	Non	2.4 GHz
802.15.4 / ZigBee™	Moyenne	Faible	Faible	Non	2.4 GHz
RF propriétaire	Variable	Variable	Variable	Non	868 / 915 MHz
LPWAN – SigFox™	Location	Très Bas	Très Bas	Non	868 / 915 MHz
LPWAN – LoRA™/Symphonie	Très long	Très Bas	Faible	Non	433 / 868 / 915 MHz
LPWAN – Ingénieux	Moyen à long	Faible	Faible	Non	2.4 GHz
LPWAN – En apesanteur	Location	Faible à moyen	Faible à moyen	Non	470-790 MHz
Cellulaire – 2G, 3G, 4G, 5G	Location	Haute	Haute	Oui	Bandes régionales 3GPP
Cellulaire – CAT-1M	Location	Faible	Faible	Oui	Bandes régionales 3GPP
Cellulaire – NB-IoT	Location	Très Bas	Très Bas	Oui	Bandes régionales 3GPP

 Bandes sous licence vs sans licence

Les autorités gouvernementales réglementent l'accès au spectre électromagnétique. Ils peuvent accorder des licences à des personnes ou à des entités pour exploiter des émetteurs sans fil dans une bande de fréquences spécifiée à un niveau de puissance maximum dans une certaine région géographique.

Souvent, un fournisseur de services de réseau sans fil qui détient une licence de fréquence exclusive, comme un fournisseur de services cellulaires, fournira l'accès à son réseau à d'autres utilisateurs moyennant des frais. Dans ce cas, le fournisseur de services est responsable de l'exploitation et de la maintenance du réseau sans fil.

L'accès à certaines bandes de fréquences est disponible pour les utilisateurs sans licence s'ils utilisent un système de communication sans fil approuvé et conforme aux réglementations nécessaires pour un fonctionnement sans licence. Ces systèmes de communication sans fil doivent disposer de mécanismes de coexistence intelligents tels que la détection de porteuse ou l'agilité de fréquence pour compenser les interférences dans la bande provenant d'autres systèmes qui fonctionnent simultanément dans les mêmes bandes sans licence.

Les réseaux sans licence, tels que les réseaux Wi-Fi™, sont généralement exploités et entretenus par les utilisateurs à leurs propres frais.

Source d'énergie

La solution d'alimentation la plus simple pour le matériel IoT consiste à utiliser l'alimentation secteur du réseau électrique.

Cependant, de nombreuses applications IoT émergentes ne peuvent pas utiliser l'alimentation secteur car elle n'est pas facilement accessible dans la zone de déploiement et il serait extrêmement difficile ou coûteux de faire fonctionner des lignes électriques supplémentaires.

Récupération d'énergie

Pour le matériel IoT à faible consommation d'énergie, de nouvelles technologies de récupération d'énergie telles que les vibrations piézoélectriques, les thermopiles et les éoliennes hydrodynamiques ou hydrodynamiques peuvent être viables, mais les panneaux solaires restent le choix le plus populaire. Bien qu'il soit techniquement possible d'alimenter le matériel IoT directement à partir de ces sources d'énergie, une meilleure option consiste à stocker l'énergie pour une utilisation ultérieure.

Stockage d'énergie

Alors que les systèmes de stockage d'énergie ésotériques continuent d'évoluer, tels que les bancs de supercondensateurs ou les piles à combustible, les technologies de batterie anciennes mais fiables restent le choix de stockage d'énergie le plus populaire pour le matériel IoT hors réseau.

Avec une variété de chimies et de types de construction, les batteries offrent une large gamme d'options pour les tailles de boîtier, les capacités énergétiques, les plages de tension et les capacités de livraison de courant. Certains offrent même des fonctionnalités spécialisées qui minimisent l'autodécharge, prennent en charge des courants d'impulsion élevés, fonctionnent à des températures extrêmes ou offrent des cycles de vie prolongés allant jusqu'à une décennie ou plus.

Résumé

Comme vous pouvez le voir, il existe une pléthore de technologies de capteurs, de traitement, de mise en réseau et d'alimentation disponibles pour créer du matériel IoT afin de répondre aux exigences de performances techniques pour les applications dans les domaines de la santé, des transports, de l'industrie, de l'automobile, des villes intelligentes et d'autres IoT de niche. Les segments du marché.

La clé est de combiner les technologies appropriées qui répondent aux exigences de performances techniques essentielles tout en satisfaisant les contraintes commerciales nécessaires pour créer une solution IoT viable.