La plupart des bâtiments, principalement résidentiels, ne sont pas câblés pour connecter leurs systèmes existants, tels que les systèmes de climatisation, les ascenseurs, les caméras de sécurité et autres dispositifs. Les dispositifs IoT sans fil utilisant des technologies telles que LoRaWAN ou NB-IoT peuvent permettre de connecter de nouveaux dispositifs et capteurs, et de moderniser les dispositifs existants.
La connexion de nouveaux capteurs et systèmes de contrôle aux actifs existants est un défi. Dans la plupart des cas, chaque appareil, ascenseur, système de chauffage, ventilation et climatisation, et système de sécurité est accompagné de sa propre connectivité, le cas échéant.
Au cours des trois dernières décennies, de nombreux propriétaires de bâtiments ont câblé leurs installations afin de pouvoir gérer ces systèmes à distance, à partir d’une salle de contrôle ou de plusieurs panneaux de contrôle. Au cours des trois dernières décennies, de nombreux propriétaires de bâtiments ont câblé leurs installations afin de pouvoir gérer ces systèmes à distance, à partir d’une salle de contrôle ou de plusieurs panneaux de contrôle.
Pour tirer parti de l’analytique et de l’automatisation, les infrastructures doivent être équipées de capteurs et d’autres dispositifs intelligents et être connectées à des systèmes de contrôle consolidés.
Lors de la conception d’un nouveau bâtiment, il est essentiel de décider du type de connectivité nécessaire. Bien que la plupart des nouvelles installations soient prêtes pour des connexions câblées, il est bon d’envisager des réseaux cellulaires et d’autres réseaux sans fil pour permettre l’utilisation de différents types de dispositifs, notamment les capteurs alimentés par batterie.
En outre, la connectivité sans fil pourrait être la meilleure solution pour connecter différents types de systèmes dans les bâtiments anciens, car l’effort de câblage de l’infrastructure pourrait être désordonné, coûteux et incapable d’atteindre toutes les zones de l’édifice.
Nouvelles technologies cellulaires spécialement conçues pour l’IoT
La hausse fulgurante du nombre d’appareils IoT et les besoins en énergie pour en connecter des milliards rendent nécessaire l’étude de technologies de communication à faible consommation d’énergie.
Jusqu’à l’arrivée de l’évolution à long terme (LTE), communément appelée 4G, la plupart des appareils connectés sans fil utilisaient le Wi-Fi ou les réseaux cellulaires 2G pour envoyer et recevoir des données. Aujourd’hui encore, certains appareils, principalement les caméras de sécurité et les systèmes de surveillance, utilisent la 2G, largement disponible dans la plupart des régions du monde.
Il y a dix ans, la 4G a amorcé un changement. La nouvelle norme cellulaire a été la première à privilégier les communications de données par rapport à la voix et aux textes traditionnels. En outre, les différentes versions de la 4G ont permis d’ajouter des fonctionnalités supplémentaires telles que l’agrégation de porteuses et les communications à faible consommation.
L’explosion des nouveaux appareils IoT, en particulier les capteurs pour les applications industrielles et de construction, a nécessité de nouvelles fonctionnalités cellulaires telles que la connectivité à faible puissance et à grande échelle, ainsi que l’intégration facile de nouveaux appareils.
La première partie, la connectivité à faible puissance, est arrivée en 2016 avec deux nouvelles normes 4G que les opérateurs pouvaient installer dans les réseaux existants : LTE Machine Type Communication (LTE-M) et Narrow-Band IoT (NB-IoT). Toutes deux ont été définies dans le 3GPP Release 13, qui est devenu la norme en juin 2016.
Les normes LTE-M et NB-IoT fonctionnent en utilisant de petites rafales de données sur les réseaux 4G. L’avantage de la norme LTE-M par rapport à NB-IoT est son débit de données comparativement plus élevé, la mobilité et la voix sur le réseau. Néanmoins, la norme LTE-M nécessite davantage de bande passante et est plus coûteuse pour les fabricants d’appareils. La norme NB-IoT offre une consommation d’énergie plus faible et des modems moins chers, mais ne prend pas en charge la voix ou les SMS.
Les opérateurs préfèrent la LTE-M car elle ne nécessite qu’une mise à jour logicielle de leurs réseaux. Cependant, les fabricants d’appareils qui n’ont pas besoin de SMS ou de voix préfèrent la NB-IoT en raison de sa faible consommation d’énergie et de ses modems moins chers.
La LTE-M est prédominant en Amérique du Nord, mais les opérateurs proposent désormais également une connectivité NB-IoT.
Le deuxième défi, à savoir l’intégration facile de nouveaux appareils, est relevé grâce à un module d’identité d’abonné intégré. (eSIM). Jusqu’à l’arrivée de la spécification eSIM de la GSMA, chaque appareil connecté à un réseau cellulaire devait être muni d’un orifice et d’un emplacement pour y introduire un module SIM en plastique, le même qui est présent dans tous les smartphones.
Les eSIM, aussi petites qu’une tête d’épingle, et les cartes SIM intégrées (iSIM), incorporées dans d’autres puces, permettent aux fabricants d’appareils de concevoir de petits appareils, et les opérateurs peuvent, après installation, fournir à ces derniers des informations d’identification de l’opérateur cellulaire par liaison radio (OTA). Aucune intervention manuelle n’est nécessaire.
Les principaux avantages de l’utilisation de la connectivité cellulaire pour les appareils intelligents sont la disponibilité des réseaux cellulaires et une meilleure sécurité. Aujourd’hui, des milliers de réseaux cellulaires fonctionnent dans le monde entier en utilisant les mêmes normes, et les communications sont cryptées à l’aide d’une sécurité matérielle, les modules SIM. Toutefois, les principaux inconvénients sont une consommation d’énergie élevée par rapport à d’autres réseaux LPWAN et un coût, tant pour le dispositif que pour les frais d’utilisation payés aux fournisseurs de téléphonie mobile.
Les réseaux LPWAN non cellulaires réduisent les coûts et la consommation d’énergie
La connectivité sans fil la plus courante dans un bâtiment est probablement le Wi-Fi. L’omniprésence de cette norme sans fil la rend idéale pour connecter les nombreux appareils dotés d’un modem Wi-Fi. Les thermostats, les caméras de sécurité, les climatiseurs et de nombreux autres appareils intelligents pourraient se connecter facilement à un point d’accès Wi-Fi.
Le fait de tout connecter par Wi-Fi pose toutefois quelques défis et inconvénients. La portée du Wi-Fi est très limitée, et les signaux sont bloqués par les murs, les sols et d’autres objets. Pour assurer une bonne communication entre le réseau et les appareils, il est nécessaire d’installer de nombreux points d’accès dans le bâtiment.
Deuxièmement, le Wi-Fi est énergivore. Non seulement les routeurs, les commutateurs et les points d’accès doivent être branchés, mais aussi les centaines d’appareils connectés au réseau. Si ce n’est pas un problème pour les gros appareils, c’est un problème pour les petits capteurs et autres unités alimentées par batterie.
De nouvelles normes de réseaux étendus à faible puissance (LPWAN) sont apparues sur le marché au cours des dernières années. Ces normes sont spécifiquement conçues pour connecter des appareils de faible puissance, fonctionnant pour la plupart sur batterie, à des passerelles utilisant le spectre sans licence sub-GHz. La plus populaire et la plus installée est probablement LoRa. Parmi les autres exemples, citons Zigbee et Sigfox.
Les LPWAN tels que LoRaWAN peuvent résoudre les deux principaux problèmes posés par le Wi-Fi. La portée s’élargit considérablement grâce à l’utilisation d’un spectre sans licence sub-GHz. Dans de nombreux cas, une passerelle LoRa unique peut desservir un bâtiment entier. En outre, la faible consommation d’énergie et la bande passante limitée (la bande passante du réseau LoRaWAN va de 0,3 kbps à 50 kbps) permettent d’utiliser des dispositifs alimentés par batterie qui ne nécessitent qu’une connectivité limitée, ce qui signifie qu’un petit capteur pourrait fonctionner pendant plusieurs années sans maintenance.
De plus, le réseau LoRaWAN mondial rend superflue l’installation de passerelles sur site. Comme la connectivité cellulaire, LoRaWAN peut connecter des milliers de dispositifs IoT avec une consommation d’énergie moindre et à une fraction du coût.
La sécurité sur LoRaWan utilise des algorithmes cryptographiques AES-128 normalisés. Les clés peuvent être préinstallées sur la ligne de production, lors de la mise en service, ou activées par voie aérienne (OTAA) sur le terrain. Le processus OTAA permet de refaire les clés des appareils si nécessaire.
Aucun réseau ne convient à tout le monde
Il ne fait aucun doute que les différents systèmes, composants et dispositifs des bâtiments intelligents nécessitent différents types de connectivité.
Les capteurs qui surveillent les conditions environnementales et l’état de santé des appareils et autres systèmes ne nécessitent que l’envoi et la réception de petites rafales de données. Ils sont mieux servis par un LPWAN tel que LoRa, qui réduit la consommation d’énergie et le coût.
Les systèmes de sécurité tels que les caméras, les détecteurs de mouvement et autres applications en temps réel nécessitent une bande passante plus large et des connexions stables, ce que la connectivité cellulaire et filaire peut fournir.
D’autres appareils, tels que les thermostats et les fenêtres intelligentes, peuvent fonctionner efficacement sur des points d’accès Wi-Fi ou se connecter par fil.
L’interopérabilité est essentielle
Le plus grand défi pour les concepteurs et les développeurs de bâtiments est de faire fonctionner ensemble tous les différents appareils. Jusqu’à présent, la plupart des solutions pour les bâtiments sont basées sur des silos indépendants, des solutions partielles qui ne concernent qu’une section ou une partie d’une infrastructure.
C’est pourquoi de nouvelles plateformes apparaissent aujourd’hui sur le marché, permettant à différents systèmes et réseaux de fonctionner ensemble. L’une d’elle est la plateforme Building X de Siemens, qui est compatible avec des équipements autres que ceux de Siemens. Les fournisseurs et autres sociétés de gestion d’immeubles peuvent intégrer leurs systèmes existants dans la plateforme, ce qui réduit l’investissement initial et les coûts supplémentaires. De cette façon, ils peuvent disposer d’un seul vitrage, ou d’un jumeau numérique, pour gérer efficacement leurs bâtiments.
Microsoft se lance également sur ce marché en pleine croissance par le biais d’IoT Central et d’Azure Digital Twins. « Nous nous associons à d’autres leaders du secteur pour accélérer l’utilisation des jumeaux numériques sur les marchés verticaux ». affirme Sam George, Vice-président général d’Azure IoT chez Microsoft. « Nous nous engageons à créer une communauté ouverte pour promouvoir les meilleures pratiques et l’interopérabilité, pour aider à établir des modèles de conception éprouvés et prêts à l’emploi, ainsi que des modèles standard pour des entreprises spécifiques et des concepts de base couvrant plusieurs domaines. »
