Introduction à l’IOT, Z-wave and Bluetooth (PDF)

Z-wave Rania Jadlaoui 116  Z-wave caractéristiques Fréquences Utilisation Faible consommation de puissance / longue durée de vie de batterie 908 Mhz Amérique Por...

Z-wave Rania Jadlaoui 116  Z-wave caractéristiques Fréquences Utilisation Faible consommation de puissance / longue durée de vie de batterie 908 Mhz Amérique Portée : De 30 à 100 mètres (ISM) 868 Mhz Europe. Rania Jadlaoui 117  Z-wave: Topologie (s) Nombre de noeuds 232 Nombre de sauts 4 Rania Jadlaoui 118 Z-wave: noeuds 2 types de noeuds Contrôleur (hub) Noeuds esclaves Rania Jadlaoui 119  Z-wave: noeuds Contrôleur -Le contrôleur, également appelé hub ou maître, est le nœud central du réseau Z-Wave. -Il gère l’ensemble du réseau et a le contrôle sur tous les autres appareils. -Permettent de stocker et de calculer des itinéraires dans le réseau. -Sauvegardent la topologie réseau et sont capables de contrôler à distance. Rania Jadlaoui 120 Z-wave: noeuds nœuds esclaves Les nœuds esclaves (ou périphériques ou nœuds finaux) sont les appareils qui exécutent les actions spécifiques dans le réseau Z-Wave. Ils sont gérés par le contrôleur et ne peuvent pas gérer le réseau par eux-mêmes. Leur rôle principal est de mesurer des paramètres ou d’agir en fonction des commandes du contrôleur. Exécution de tâches spécifiques : Ces nœuds sont responsables de réaliser des actions physiques (comme allumer une lumière ou ajuster la température). Interaction avec le contrôleur : Ils peuvent également renvoyer des informations de mesure ou d'état au contrôleur. Relais de messages : Certains nœuds esclaves jouent aussi le rôle de répéteur, relayant les messages pour étendre la portée du réseau, mais sans gérer les aspects du réseau eux-mêmes. Rania Jadlaoui 121  Z-wave: avantages Portée plus élevée vu qu’il utilize une fréquence moins sensible aux obstacles Pas d’interference avec les autres technologies radio: wifi, bluetooth, zigbee, etc. Composants intuitifs et faciles à configurer , Rania Jadlaoui 122 Z-Wave LR (Long Range) Portée pouvant aller jusqu’à 1.6 km Permet d’améliorer la portée de transmission sans fil des périphériques Z-Wave tels que les serrures de porte, les capteurs de porte de garage, les solutions de contrôle de portail, etc. Plus de 4 000 nœuds sur un seul réseau Rania Jadlaoui 123 Bluetooth LE Rania Jadlaoui 124  Bluetooth Créé en 1994 par Ericsson Actuellement géré par SIG (Bluetooth Special Interest Group Norme de télécommunications permettant l'échange bidirectionnel de données à courte distance en utilisant des ondes radio UHF sur la bande de fréquence de 2,4 GHz. ➔ Simplifier les connexions entre les appareils électroniques à proximité en supprimant des liaisons filaires pour des réseaux PAN. Rania Jadlaoui 125 TOPOLOGIE BLUETOOTH Topologies Rania Jadlaoui 126  Piconet (v4.0) : Il s'agit d'une topologie Bluetooth où un dispositif agit en tant que maître (indiqué par "M" pour Master) et peut se connecter à plusieurs esclaves (indiqués par "S" pour Slave). Dans cette structure, un maître peut contrôler jusqu'à sept esclaves actifs dans un seul réseau. Cependant, les esclaves ne peuvent pas communiquer directement entre eux ; toutes les communications passent par le maître. Scatternet (v4.1) : Il s'agit d'une structure plus complexe, constituée de plusieurs piconets interconnectés. Dans un scatternet, un appareil peut jouer un double rôle (indiqué par "M/S" pour Master/Slave), étant à la fois maître dans un piconet et esclave dans un autre. Cela permet une interconnexion entre plusieurs piconets, formant un réseau plus étendu et permettant la communication entre les différents piconets. Remarque: Le scatternet est utile pour des réseaux Bluetooth nécessitant une couverture et une connectivité plus larges, alors que le piconet est une structure simple pour des réseaux locaux et des communications directes sous la supervision d'un seul maître. Rania Jadlaoui 127 BLE Bluetooth LE (Low Energy) Apparu en 2010 avec Bluetooth 4.0 Appelé aussi BLE ou parfois Bluetooth Smart, est comparable à la technologie Bluetooth classique mais elle permet une consommation d'énergie 10 fois inférieure. Elle est utile pour de nombreux usages courants, comme les montres connectées, ou même dans le domaine médical. Rania Jadlaoui 128 Bluetooth classique vs BLE Deux technologies utilisées à des fins très différentes. Bluetooth classique employé pour traiter, transférer et échanger de nombreuses données sans interruption (par exemple en audio). consomme rapidement la vie de la batterie et coûte beaucoup plus cher. BLE utilisé pour des applications ne nécessitant pas l’échange de grandes quantités de données ➔ récupère des informations relativement légères (comme l’heure ou la température par exemple). Proposant une connexion non continue, il peut fonctionner sur batterie pendant plusieurs années à un coût inférieur à celui du Bluetooth. Rania Jadlaoui 129 Bluetooth classique vs BLE Rania Jadlaoui 130 Bluetooth Smart Ready : Ces dispositifs (comme les ordinateurs, les smartphones et les tablettes) peuvent se connecter à la fois aux appareils Bluetooth classiques et aux dispositifs Bluetooth Smart. Ils agissent comme un pont central dans l'écosystème Bluetooth, permettant une large compatibilité avec des appareils variés. Ils sont conçus pour interagir avec des appareils qui nécessitent une communication à faible consommation d'énergie (Low Energy, LE) tout en étant capables de gérer le streaming audio et vidéo haute qualité. Rania Jadlaoui 131 Bluetooth Smart : Ces dispositifs, comme les capteurs, les équipements de santé, les thermostats et les accessoires domotiques, utilisent le Bluetooth Low Energy (BLE) pour transmettre de petites quantités de données en consommant très peu d'énergie. Ils sont souvent dédiés à des tâches spécifiques et optimisés pour les applications nécessitant une faible consommation, comme les capteurs de mouvement ou de température. Bluetooth classique : Utilisé pour des appareils nécessitant un débit de données plus élevé, tels que les casques audio, les voitures connectées et d'autres dispositifs multimédias qui diffusent des contenus riches comme l'audio et la vidéo. Rania Jadlaoui 132 Architecture de communication typique dans un réseau Bluetooth Low Energy (BLE), utilisant les rôles Central, Peripheral, Broadcaster, et Observer. Fonctionnement Rania Jadlaoui 133 Central : Ce dispositif agit comme un maître dans la communication BLE et est capable de se connecter à plusieurs périphériques. Dans l'image, le nœud central est relié à huit périphériques (Peri.1 à Peri.8). Peripheral (Périphérique) : Les périphériques sont des dispositifs BLE qui se connectent au nœud central pour transmettre des informations. Chaque périphérique communique directement avec le central, mais pas entre eux. Les périphériques sont typiquement des capteurs ou des appareils à faible consommation qui envoient des données de manière ponctuelle ou périodique. Rania Jadlaoui 134 Broadcaster : Ce type de dispositif transmet des données sous forme de publicité (broadcast) sans établir de connexion. Un Broadcaster envoie des informations que les périphériques à proximité peuvent écouter, comme un identifiant ou des données de capteur. Observer : L'Observer est un dispositif qui écoute les messages de diffusion des Broadcasters sans interagir directement avec eux. Il peut être utilisé pour surveiller les informations diffusées sans entrer en connexion avec les Broadcasters. Rania Jadlaoui 135 Fonctionnement Rania Jadlaoui 136 Mode de fonctionnement Un objet connecté en BLE peut avoir jusqu’à 4 fonctions différentes : « Broadcaster » : a pour objectif de transmettre régulièrement des données à un appareil, mais il n’accepte aucune connexion entrante. « Observer » : l’objet peut seulement écouter et interpréter les données envoyées par un « broadcaster ». Dans cette situation- là, l’objet ne peut pas envoyer de connexions vers le serveur. « Central » : souvent un smartphone ou une tablette. C’est un élément qui interagit de deux façons différentes : soit en mode advertising, soit en mode connecté. →l’échange de données. « Peripheral » : il accepte les connexions du central et lui envoie des données de manière périodique. Ce système a pour objectif de packager les données de façon universelle via un protocole de communication. Rania Jadlaoui 137  Mode advertising Les appareils Bluetooth envoient des paquets pour broadcaster les données : c’est l’Advertising. ➔ des blocs de 31 octets pouvant contenir des informations propres à l’émetteur. ➔utilisés pour permettre à d’autres appareils (de type scanner en général) de se connecter à eux. Remarque: Un appareil scanner (comme un smartphone) analyse les paquets reçus sur les canaux d'Advertising. Rania Jadlaoui 138 Mode connecté En BLE deux appareils peuvent établir une connexion sur un principe de maitre / esclave. C’est le mode connecté. Le protocole GATT est souvent utilisé (acronyme de « Generic ATTribute») pour transmettre les données. Définit la façon qu’ont deux appareils BLE d’échanger des données. Rania Jadlaoui 139 Bande de fréquences Bluetooth permet l’échange bidirectionnel de données en utilisant des ondes radio UHF et opère dans la bande 2.4 GHz. 40 canaux physiques sont alloués pour un multiplexage en temps et en fréquence, chacun étant espacés de 2 MHz (c’est à dire de 2.4 GHz à 2.8 GHz). Certains canaux sont utilisés pour l’Advertising Bluetooth alors que d’autres seront utilisés pour la partie connexion. Rania Jadlaoui 140 Bluetooth Mesh Applicable uniquement avec le BLE Le Bluetooth Mesh, a pour avantage de créer un maillage entre de très nombreux objets (une cinquantaine) leur permettant d’échanger des données. Il donne aussi la possibilité aux utilisateurs d'étendre leur réseau. Rania Jadlaoui 141  Bluetooth vs Wifi Mêmes plages de fréquences (2,4 GHz)à un réseau peut brouiller ou perturber l'autre, ou limiter son débit. 142 consomme moins d'énergie que le WI-FI a une portée maximale plus faible, Bluetooth de 10 m avec des fonctionnalités réduites et un plus faible nombre de périph*ériques connectables simultanément. impose généralement l'utilisation d'un point d'accès, mais certains constructeurs Wi-Fi permettent la connexion directe entre périphériques en utilisant le Wi-Fi Direct, similaire à un Bluetooth Rania Jadlaoui à très grande bande passante. Comparaison Rania Jadlaoui 143 Réseaux IOT longue distance Rania Jadlaoui 144 Réseaux IOT longue distance Rania Jadlaoui 145 Classification LPWAN LPWAN non cellulaire Sigfox LoRaWAN LPWAN cellulaire LTE-M NB-IOT Rania Jadlaoui 146  Créé par une startup française en 2010, couvre 71 pays Sigfox Sigfox est conçu pour des communications ultra-faible puissance et faible débit. Utilise des fréquences sans licence ISM (Industriel, Scientifique et Médical):868 MHz en Europe, 915 MHz en Amérique du Nord,433 MHz en Asie. Bande de fréquences : La bande représentée va de 868.034 MHz à 868.226 MHz, soit une largeur de bande totale de 192 kHz. Canaux étroits : Sigfox utilise des canaux très étroits de 100 Hz chacun. Ces canaux étroits permettent une communication simple et efficace tout en minimisant l'utilisation du spectre radio. Rania Jadlaoui 147 Sigfox Portée des antennes Sigfox entre 3 à 10 km en zones denses jusqu’à 50 km sur des zones avec peu d’obstacles. Débit des données : 100 bits/s. Evolution pour supporter des communications bidirectionnelles. Envoi un maximum de 140 messages par jour en lien montant Taille message 12 octets. En lien descendant, il permet de recevoir 4 messages chacun contenant 4 octets de charge utile. Rania Jadlaoui 148 LoRaWAN LoRaWAN (Long Range Radio Wide Area Network) Créée par Cycleo, une startup française ensuite rachetée par le groupe Semtech en 2012. Basée sur la technologie de modulation LoRa (Long Range) Opère sur une plage de fréquences ISM sans licence 868 MHz en Europe 915 MHz en Amérique du Nord. Rania Jadlaoui 149 LoRaWAN LoRa représente la couche physique radiofréquence LoRaWAN représente la couche protocole. LoRaWAN assure une transmission de données bidirectionnelle utilise une modulation à étalement de spectre appelé CSS (Chirp Spread Spectrum). Rania Jadlaoui 150 LoRaWAN Rania Jadlaoui 151 LoRaWAN 3 modes de communications : Les données émises par les capteurs sont transmises en LoRa aux différentes passerelles (Gateways). Les passerelles transmettent les données centralisées à un serveur au cloud au travers d’un protocole IP au moyen de réseaux ethernet, WiFi ou 3G/4G. En dernière étape, les données du serveur cloud sont transmises aux utilisateurs via Internet. Rania Jadlaoui 152 LoRa vs SigFox Rania Jadlaoui 15 3  LPWAN cellulaire développées par 3GPP (3rd Generation Partnership Project) ➔nouvelles technologies low cost améliorer les communications machines Nb-IoT LTE-M. Rania Jadlaoui 154 NB-IOT Nb-IoT (NarrowBand IoT) ou LTE Cat-NB1 fonctionne selon 03 modes sur la bande de fréquence 200 KHz anciennement utilisée par le réseau GSM (standalone) ou sur le réseau LTE (long term evolution) qu peut lui allouer des ressources (in-band ou guard band) Nb-IoT a une portée jusqu’à 1 km en zones urbaines 10 km en Zones rurales. Sa transmission est bidirectionnelle débit de données de 20 jusqu’à 250 kbits/s. Rania Jadlaoui 155 NB-IOT Bas débit Réduction significative de la consommation électrique des modules Plus adapté à des cas d’usage de monitoring. Réduction de la complexité Réduction des coûts des dispositifs. Rania Jadlaoui 156 Comparaison Rania Jadlaoui 157 Chaque technologie LPWAN a ses avantages spécifiques selon les besoins du secteur : LoRaWAN offre une large couverture et une faible consommation pour des applications étendues et peu fréquentes. NB-IoT se distingue par sa fiabilité et sa faible latence, idéale pour des applications nécessitant une transmission de données plus fréquente et plus fiable. Sigfox est une option viable pour des applications simples à faible coût et faible bande passante. L’option la plus adaptée dépendra donc des exigences spécifiques de chaque cas d’utilisation (portée, fréquence des messages, latence, coûts). Rania Jadlaoui 158  Exercice Quelles technologies LPWAN est mieux adaptée pour Agriculture intelligente Monitoring médical Localisation et gestion des biens Industrie 4.0 Rania Jadlaoui 159  Technologies LPWAN et leur adéquation aux secteurs : Secteur Technologie LPWAN recommandée Agriculture intelligente LoRaWAN Monitoring médical NB-IoT Localisation et gestion des biens LoRaWAN, Sigfox Industrie 4.0 NB-IoT, LoRaWAN Rania Jadlaoui 160