La dynamique du développement de l'internet des objets

La dynamique du développement de l'internet des objets – Introduction

L'interconnexion du monde a commencé.  Des milliers de milliards de capteurs s'interconnectent à des milliards de contrôleurs et à des millions de passerelles, faisant circuler d'incroyables volumes de données dans le monde entier sur l'internet.

L'internet des objets (IdO) est rendu possible par la conjonction de diverses fonctions et capacités, depuis les protocoles sans fil à faible consommation aux microcontrôleurs à haute performance et basse consommation. Mais la mise en œuvre de réseaux nécessite de nombreuses couches, depuis les nœuds de détection aux passerelles, en passant par les serveurs de données, pour prendre en charge et protéger les vastes volumes de données ou « big data ». Tout cela permettra de relier appareils et éclairages domestiques, réseaux d'alimentation en eau et en électricité, automobiles et services de transport, pour créer un monde plus intelligent, plus réactif, plus contrôlable.

Les microcontrôleurs et les liaisons sans fil à faible consommation d'énergie sont les piliers de ces développements.  Par exemple, les plus récents microcontrôleurs Gecko de Silicon Labs utilisent des modes à faible consommation spécialement développés pour que les contrôleurs puissent attendre les signaux de différents capteurs avant de démarrer, d'envoyer des données et de s'arrêter à nouveau. Ils sont actuellement optimisés pour répondre aux besoins des réseaux de capteurs et d'applications de gestion intelligente de l'alimentation secteur, incluant des systèmes d'alimentation sur batteries à partir de 3,6 V, capables de fonctionner pendant dix à vingt ans. Ces dispositifs peuvent fonctionner avec des niveaux de consommation si faibles, qu'ils peuvent être alimentés par des cellules solaires, ou même de l'énergie RF ou thermique provenant de l'environnement immédiat. Dans certaines applications, les batteries ou les cordons d'alimentation ne sont plus nécessaires.

Mais des liaisons à faible énergie demeurent nécessaires et le fonctionnement de l'internet des objets s'appuie sur une variété de protocoles.  Largement adopté par les applications machine à machine (M2M), le réseau maillé ZigBee 2,4 GHz permet d'ajouter facilement des nœuds au réseau, d'utiliser des passerelles supportant des liaisons à faibles débits (250 Kbit/s) de divers fournisseurs, tels qu'Atmel et Texas Instruments.

La version la plus récente, ZigBee IP, adhère au standard IPv6 et permet d'accéder à des nœuds de détection directement depuis l'internet, supportant le contrôle d'un nombre toujours croissant de dispositifs.  La version écologique de ZigBee peut facilement alimenter les dispositifs par le processus de récolte d'énergie.

Mais la concurrence se développe sur plusieurs fronts.  Les versions basse consommation de la Wi-Fi utilisent des débits de données faibles et des salves de données rapides pour assurer une autonomie électrique plus longue en conjonction avec les faibles coûts supportés par de hauts volumes de production. Similairement, dans la plus récente version Bluetooth 4.0, Bluetooth Low Energy (LE) supporte des connexions à très faible consommation d'énergie. Ces avantages ont initialement remporté un certain succès dans le secteur des produits de consommation, augmentant les volumes et diminuant les coûts, leur intérêt pour les applications IdO continue d'augmenter.

Ce mouvement de progrès à également abouti au développement de nouvelles technologies, telles que le protocole Weightless, spécialement développé pour les applications IdO.

Le groupe de travail spécial Weightless accompagne la sortie des premiers dispositifs au silicium. La production en volume sera assurée au deuxième trimestre 2014 par la fonderie Neul. Les premiers modules mesurent 35 mm x 45 mm et coûteront initialement 12 $, puis 7 $ en 2015. Les modules 24 mm x 20 mm coûteront 4 $ ou moins en 2016. Le lancement des kits de développement Weightless est prévu pour le deuxième trimestre 2014 pour les acquéreurs précoces.

Les échantillons de la station de base NeulNET 2510 sortiront au premier trimestre 2014. La disponibilité précommerciale étant prévue pour le deuxième trimestre 2014, pour un coût de leasing de « quelques dizaines de dollars » par mois offert aux réseaux britanniques et américains, d'après le Professeur William Webb, Directeur général, Weightless SIG.

Figure 1 : Le protocole Weightless a été spécialement développé pour l'internet des objets.

Comme Weightless le démontre, ces capteurs et contrôleurs doivent se connecter à une passerelle et les grandes entreprises se positionnent toutes sur ce marché.  Pour répondre aux besoins en passerelles, Texas Instruments a intégré les interfaces physiques et MAC pour Ethernet sur un microcontrôleur ARM pour simplifier la conception.

Les dispositifs les plus récents sont les premiers contrôleurs ARM Cortex-M4 intégrant l'Ethernet MAC+PHY avec la protection des données sur puce et un contrôleur LCD. Cette approche permet d'économiser de l'espace sur les circuits et de supporter des applications connectées, telles que passerelles d'automatisation résidentielles, interfaces homme-machines connectées (HMI), passerelles de détecteurs en réseau, systèmes d'accès et de sécurité, contrôleurs logiques programmables. L'intégration CAN et USB apporte une connectivité à haut débit, autorisant la création de solutions de passerelle transparentes. Les applications d'éclairage de détection, de mouvement, d'affichage et de commutation utilisent l'agrégation des capteurs avec dix ports I2C, deux convertisseurs analogues-numériques 12 bits (ADC), deux entrées d'encodeurs en quadrature, trois comparateurs sur puce, une interface périphérique externe, et des sorties de modulation d'impulsions en durée (PWM) avancées.

Le logiciel est un élément clé de l'IdO. Par conséquent, Wind River a développé un environnement de développement logiciel complet basé sur des processeurs à architecture Intel. Avec une disponibilité prévue au début de 2014, la plateforme fournira des composants prêts à l'usage pour sécuriser, gérer et connecter des passerelles IdO.

Le logiciel ajoute la sécurité pour passerelles, mais aussi les environnements Lua, Java, et OSGi pour supporter le développement d'applications portables, évolutives et réutilisables sur les dispositifs, qu'ils soient limités en ressources ou offrant des fonctions complètes, ainsi que le support natif pour Wi-Fi, Bluetooth, ZigBee et autres protocoles sans fil à courte portée.

Simultanément, des fournisseurs de semi-conducteurs s'allient avec des fournisseurs de logiciels pour créer des solutions complètes à l'échelle de l'IdO.

En collaboration avec ARM et Oracle, Freescale Semiconductor a développé une plateforme sécurisée de type « boîtier unique », qui combine un logiciel bout en bout avec des passerelles intelligentes, hiérarchiques et convergentes pour mettre en œuvre une infrastructure ouverte et commune, capable de supporter l'exécution et l'administration d'un IdO sécurisé.

Basée sur des microcontrôleurs Kinetis de Freescale, des processeurs d'applications i.MX ou des processeurs de communication QorIQ, la plateforme exécute le logiciel Java Oracle et incorpore le logiciel Sensinode ARM, qui connecte un grand nombre de dispositifs pour nœuds périphériques à faible consommation, utilisant divers protocoles sans fil, tels que 6LoWPAN, CoAP et OMA Lightweight M2M.

Freescale, ARM et Oracle investissent aussi leurs efforts pour rationaliser le développement des nœuds sous l'égide du projet ARM mbed.  Leur objectif est de permettre à la couche d'abstraction matérielle native (HAL) ARM mbed d'exécuter le logiciel Oracle Java ME Embedded sur des microcontrôleurs ARM Kinetis de Freescale.

Le cloud peut aussi être utilisé pour supporter les nœuds de capteurs.  Xively, une filiale de LogMeIn – fournisseur de logiciels d'accès à distance, a développé la première plateforme cloud publique pour l'internet des objets commercial. Elle travaille maintenant avec Linear Technology pour accélérer la disponibilité des produits connectés au cloud à ultra-basse consommation. En intégrant les capteurs sans fil Dust Networks de Linear avec les services cloud de Xively, les entreprises peuvent procurer aux développeurs et aux fabricants OEM une solution IdO bout en bout hautement efficace, qui fonctionne depuis les phases de prototypage et de validation initiales jusqu'au déploiement commercial et la gestion à distance.

Les capteurs sans fil ARM Cortex-M3 sont conçus pour assurer la compatibilité IP, utiliser les normes 6LoWPAN et 802.15.4e et fournir une fiabilité de transmission des données supérieure à 99,999 % et une autonomie sur batteries supérieure à 10 ans. Ces ressources permettront de déployer des réseaux de capteurs sans fil dans les environnements les plus difficiles.  Le kit de démarrage inclut des exemples de code d'application qui permettent à un utilisateur Xively dûment enregistré de connecter le kit DC9000 à un ordinateur relié à internet. Le réseau de capteurs IP est alors enregistré automatiquement comme un « produit » Xively. Les nœuds et les capteurs peuvent donc envoyer des données en toute sécurité aux dispositifs cloud sur la plateforme Xively de l'utilisateur.

Tous ces efforts démontrent la puissance des développements qui sous-tendent la progression de l'internet des objets.  Non seulement les capteurs et les dispositifs sont disponibles, mais aussi les environnements logiciels, les implémentations bout en bout, alors que le développement des applications commence à porter ses fruits. Ceci stimulera le développement et le volume des déploiements, réduisant donc les coûts. La plupart des dispositifs existants sur le marché sont de plus en plus intégrés et peuvent exécuter différents protocoles. Ils apportent aux concepteurs systèmes une grande flexibilité pour choisir la bonne solution avec les meilleurs coûts possibles.