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Anatomie d’un device IoT : tout ce qu'il faut savoir

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Georges

Cet article fait partie de la série sur la pyramide de l'IoT. Si vous souhaitez avoir une vue d'ensemble sur ce thème, nous vous invitons à lire cet article introductif.

La partie device est la base réelle d’une solution IoT, sa brique physique. Il s’agit du boîtier installé sur un tableau électrique, du bracelet connecté que vous avez au poignet, ou de l’alarme d’urgence de votre ascenseur.

A l’issue de cet article, vous saurez quels sont les composants principaux d’un device et quels critères prendre en compte dans son choix. Il est principalement destiné aux acheteurs et aux product managers, avec une volonté de vulgariser l’ensemble des termes techniques.

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Les composants d’un device IoT : le modèle 4+1

Nous pouvons isoler quatre composants principaux :

  1. le (ou les) capteur(s), qui capte les données
  2. le micro-ordinateur, qui traite les données
  3. le module de connectivité, qui transmet les données
  4. l’alimentation électrique (continue ou sur batterie)

 

A ces quatre composants, nous ajoutons le logiciel qui gère la manière dont l’objet fonctionne et communique.

 

C’est la raison pour laquelle nous parlons de modèle 4+1.

 

Afin de mieux illustrer la manière dont fonctionne un device, nous ferons une analogie avec le corps humain.

 

Anatomie d'un device IoT

 

1. Le capteur, les sens du device

Pour percevoir son environnement, le corps humain a cinq sens. Un device peut en avoir beaucoup plus.

 

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Le capteur est le composant qui transforme une information physique (température, pression, débit...) en un signal électronique. Il en existe plusieurs types selon l’information que l’on souhaite récupérer. Parmi les types de capteurs les plus utilisés :

 

  • luxmètre : mesure la luminosité (un éclairage public qui s’allume à la tombée de la nuit)
  • thermomètre : mesure la température (un thermostat connecté qui rallume le chauffage en deçà d’un certain niveau)
  • hygromètre : mesure l'humidité (pour savoir quand irriguer des cultures)
  • accéléromètre : mesure la vitesse et les chocs (une alarme d’urgence se déclenche si votre voiture a eu un accident)
  • gyroscope : mesure la rotation (permet à un drone ou une torpille de garder son cap)

Le capteur peut être physiquement séparé (juste relié par un câble) du “cerveau” du device, le micro-ordinateur.

 

2. Le micro-ordinateur, le cerveau du device

A la manière dont notre cerveau analyse les informations captées par nos sens, le micro-ordinateur héberge et fait fonctionner l’ensemble des programmes dictant le comportement de l’objet connecté.

 

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Selon le cas d’usage, le type d’information et la complexité de celle-ci, il peut être plus ou moins miniaturisé.

 

Lorsque la tâche est basique ou requiert une action immédiate (une vanne se coupe en cas de détection d’une fuite de gaz), on parle de microcontrôleurs.

 

Lorsque la tâche requiert des actions plus élaborées, on parle de micro-ordinateurs. Ils sont comparables à un ordinateur dans leur fonctionnement mais réduits à la taille d’une carte bancaire. Parmi les fabricants les plus connus de ce type de composants, nous pouvons citer Arduino, Adafruit, Pololu et le plus célèbre Raspberry Pi.

 

3. Le module de connectivité, la voix du device

Le capteur envoie un signal décodé par le micro-ordinateur, que l’on doit maintenant envoyer sur le réseau pour que la donnée soit récupérée et analysée à distance. C’est le rôle du module de connectivité, la voix du device.

 

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Selon la connectivité choisie, le module de connectivité prendra des formes différentes. Il peut faire partie intégrante du micro-ordinateur (soudé dans la carte) ou prendre la forme d’un module séparé relié par un câble. Par exemple, un module Wifi peut être directement intégré dans la carte mère du micro-ordinateur ou bien prendre la forme d’une antenne déportée.

 

Le rôle de la gateway IoT

Le simple module de connectivité du device n’est pas suffisant pour établir une communication efficace avec le Cloud. De la même manière qu’un routeur Wifi domestique établit une connexion sécurisée entre votre ordinateur et internet, la gateway connecte les devices au réseau internet.

 

En revanche, le rôle de la gateway ne se limite pas qu’à cela.

 

Elle permet aussi de préparer les données issues des devices (consolidation, filtrage, nettoyage) avant de les transmettre aux plateformes cloud, où s'effectue le gros travail de transformation des données en intelligence significative. Cette étape préalable permet de réduire considérablement le volume de données à transmettre au cloud.

 

En envoyant moins de données, la gateway permet de réduire le coût de la connectivité et d’optimiser la durée de vie de la batterie.

 

Enfin, la gateway reçoit également des informations du cloud, renvoyées aux appareils pour permettre une gestion autonome des appareils sur le terrain.

 

4. L’alimentation électrique, l’oxygène du device

Les possibilités d’alimentation électrique d’un objet connecté font partie des conditions prépondérantes dans le choix de la solution IoT. Selon qu’une alimentation électrique continue soit possible ou bien qu’une batterie soit nécessaire, cela impacte le choix de la connectivité de la masse et de la fréquence de données pouvant être remontées.

 

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Dans le cas de capteurs basiques qui ne font que remonter quelques octets par jour, une alimentation sur batterie est tout à fait envisageable. Elle peut durer une dizaine d’années voire plus. Si bien qu’au moment de l’épuisement de la batterie, les évolutions technologiques ont souvent rendu caduque le device en lui-même, qu'il vaut mieux remplacer.

 

Dans le cas de données massives ou continues, comme un flux vidéo, une alimentation électrique est nécessaire.

 

5. Le software, l’âme du device

Le software vient en quelque sorte donner vie au device en lui indiquant comment fonctionner.

 

Le système d'exploitation (OS) d’un objet connecté est assez éloigné de ceux fonctionnant sur ordinateur ou mobile. Il doit répondre à des challenges fondamentalement différents : mémoire, énergie et puissance limitées.

 

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Parmi les critères de sélection d’un OS pour votre device il faut prendre en compte :

  • le poids du système qui doit être le plus léger possible pour ne pas cannibaliser l’espace disponible
  • la connectivité supportée
  • la sécurité du système et sa fiabilité
  • la modularité pour ajouter des fonctionnalités à la demande

 

Il n’existe pas encore de géant de l’OS IoT écrasant le marché (comme Microsoft ou Apple).

 

Les solutions sont multiples et souvent open-source. Nous pouvons citer parmi les plus utilisées : 

  • Contiki, qui existe depuis 2003
  • FreeRTOS, créé par Amazon
  • Mbed OS
  • Embedded Linux
  • TinyOS
  • Raspberry Pi OS

 

Les points clés à vérifier avant de choisir votre device

Maintenant que nous avons détaillé les composants principaux d’un device et leur utilité, intéressons-nous aux critères de sélection.

 

Devez-vous développer vos propres composants ou acheter des solutions prêtes à l’emploi ?

Depuis une dizaine d’années, plusieurs fabricants ont développé des micro-ordinateurs si petits qu’ils peuvent convenir dans nombre de configurations IoT. 

 

A titre d'exemple, une carte Raspberry pi Zero (qui inclut l’ensemble des composants d’un ordinateur) ne mesure que 65 sur 30 mm.

 

Une gamme complète de capteurs (détecteur de présence, thermomètre, caméra, micro) peut y être ajoutée facilement pour composer un ensemble prêt à l’emploi, sans connaissance technique particulière. 

 

Ces solutions sont regroupées sous le terme Off-The-Shelf (OTS).

 

Cependant si cette solution est privilégiée dans le cas de prototype ou de petites séries, elle devient beaucoup moins intéressante sur de gros volumes. Les limitations sont également bien présentes pour des dispositifs qui requièrent une miniaturisation accrue ou des fonctionnalités particulières. 

 

Pour ces cas de figure, les solutions custom deviennent l'alternative obligée. Elles nécessitent évidemment beaucoup plus de ressources internes (supply chain, ingénieurs spécialisés).

 

Device fonctionnant avec batterie ou branché sur secteur ?

Si l’alimentation électrique continue est impossible, alors le recours aux batteries va influencer l’ensemble des choix du reste des composants, ainsi que le choix de la connectivité. 

 

En effet, à l’exception des situations où le remplacement des batteries est aisé (des scanners dans un entrepôt que l’on recharge durant la nuit), nombre d’objets connectés doivent survivre des années avec la même batterie (comme des capteurs agricoles enterrés).

 

Utilisation intérieure ou extérieure ?

Les conditions d’utilisation de votre device jouent un rôle prépondérant dans le choix des composants et du boîtier. Doivent-ils être résistants à l’humidité ? la chaleur ? la pression ?


Ces questions doivent être adressées dès la conception, ainsi que l’accès au réseau (device enterré ou à l’air libre).

Durée de vie

Pour quelle durée de vie est destiné votre device ? Par là, il faut comprendre que la vitesse des évolutions technologiques dans le domaine de l’IoT peuvent rendre caduque tout ou partie de votre solution. Il est donc nécessaire d’avoir cette donnée en tête afin de pouvoir ajuster le choix des matériaux et de la conception.

 

Rapport taille / poids

Le format de votre device répond-t-il à des exigences particulières ? Un device de type wearable (comme un bracelet connecté) doit rester léger et d’un format restreint. Doit-il répondre à une forme particulière, pour être intégré dans un véhicule ou une machine ? 

 

Certifications

Enfin n’oubliez pas que les devices doivent répondre aux normes européennes et françaises, notamment en termes de sécurité et d'environnement. Celles-ci sont plus ou moins strictes selon les usages et les secteurs d’activité.

 

En conclusion

Un device IoT est probablement l’étape qui fait intervenir la plus grande hétérogénéité dans vos équipes. Ingénieur, électricien, informaticien, les ressources humaines à mobiliser et coordonner sont une étape essentielle dans la réussite de votre solution IoT.

 

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