IoT, PCB et design : Les défis de l'IdO pour les concepteurs de circuits imprimés en 2020

L’internet des objets (IdO) dans les entreprises est devenu l’un des thèmes majeurs des discussions technologiques en 2019. De nombreux analystes promettent des améliorations de l'efficacité et des profits simplement en connectant tous les équipements des bureaux. Au fil du temps, les vrais problèmes qui peuvent être résolus en connectant des ressources des entreprises commencent à devenir clairs, et des opportunités pratiques d'innovation et de résolution de problèmes peuvent être identifiées. Je dirais que nous commençons à sortir de l’IdO des années 1990, pour entrer dans une décennie où des applications pratiques seront largement commercialisées.

Les idées de mise en œuvre de l'IdO dans les entreprises ignorent parfois les défis matériels, ainsi que la faisabilité économique, promettant des avantages impressionnants sans tenir compte des coûts. Du côté logiciel, les grandes entreprises s'emploient à développer l'architecture logicielle IoT nécessaire pour concrétiser ces applications, ce qui permettra en fin de compte aux développeurs de matériels embarqués de créer de nouveaux produits innovants pour un environnement IdO d'entreprise. Examinons quelques opportunités importantes dans ce domaine et décomposons les défis matériels qui concernent l’IoT, les PCB et le design de circuits imprimés.

Trois défis pour concevoir l'IdO des entreprises

Les idées d'applications IdO en entreprise sont très nombreuses, mais elles présentent toutes des défis communs à la conception de PCB pour dispositifs IdO en entreprise. Les concepteurs doivent faire face à des défis dans un ou plusieurs des domaines suivants :

Multiplicité des protocoles sans fil

À moins que vous ne prévoyiez de connecter toutes les ressources de l'entreprise avec un câble à paires torsadées, vous devrez sélectionner un protocole de communication sans fil. Quelle est la meilleure solution pour les dispositifs IdO en entreprise ? La réponse à cette question n'est pas si simple, surtout lorsqu'il existe plus d'une douzaine de protocoles sans fil disponibles pour la mise en réseau. Tout le monde connaît Bluetooth et WiFi, mais il existe toute une liste d'autres protocoles sans fil qui varient en termes de portée, de débit, de fréquence et d'application prévue. Pour les applications d'entreprise, les protocoles fonctionnant dans des bandes de fréquences sous licence sont préférés pour éviter les interférences.

Vous aurez très probablement besoin de plusieurs protocoles sans fil pour offrir toute une gamme d'options de communication et de configuration. Les applications à courte portée et à débit de données modéré, comme Bluetooth, devront très probablement fonctionner aux côtés d'applications à plus longue portée et à débit de données plus faible comme LoRaWAN. Les entreprises de télécommunication étant désormais présentes sur le marché de l'IdO d'entreprise, les protocoles IdO cellulaires (NB-IoT et LTE-M) constituent une option utile pour la transmission de petites quantités de données sur une longue distance. Cet article vous apporte plus d'informations sur les protocoles IdO qui peuvent être utilisés dans un environnement d'entreprise.

 IoT, PCB et design : La petite carte ESP8266 conçue par Espressif est un outil très pratique pour prototyper les applications IdO d'entreprise

Pour assurer le traitement des données, les concepteurs de PCB doivent être prêts à intégrer plusieurs fréquences sans fil dans leurs cartes aux côtés de composants numériques. Les fabricants de smartphones ont résolu de nombreux problèmes d'agencement et d'espace en intégrant tous les éléments requis dans une variété de SoCs/SiP. De leur côté, les concepteurs de cartes personnalisées n'ont peut-être pas ce luxe. Il convient de prêter attention aux meilleures pratiques pour isoler les blocs de circuits RF des composants numériques, planifier les voies de retour, et concevoir un empilage qui tient compte de ces aspects de la conception pour signaux mixtes.

Conception à faible consommation d'énergie pour appareils mobiles

Tout comme la plupart des applications IdO en entreprise n’utiliseront pas les liaisons en cuivre pour leurs communications, elles n’utiliseront probablement pas non plus des systèmes d’alimentation sur cuivre. Les concepteurs doivent minimiser la consommation d'énergie des appareils mobiles en choisissant des composants à faible consommation et en éliminant les fonctions sans utilité réelle. Pour prolonger la durée de vie, les concepteurs peuvent envisager d'ajouter à un appareil certaines capacités de collecte d'énergie (thermoélectrique, RF, piézoélectrique ou autres procédés).

Traitement des données de proximité ou traitement des données dans le cloud

Ce choix est en fait une décision majeure qui déterminera les niveaux de puissance de traitement et de mémoire qui doivent être intégrés dans l'appareil. Si votre appareil se contente de collecter les données des capteurs et de les télécharger vers une station de base, vous n'aurez pas besoin de beaucoup plus qu'un microcontrôleur ou un petit circuit intégré prédiffusé programmable (FPGA). Si votre appareil d'entreprise doit effectuer des prévisions ou des classifications sur le terrain et en temps réel, votre appareil doit embarquer une puissance de traitement importante. Vous devrez également adapter votre mémoire en fonction de la quantité de données stockées ou traitées. Les applications utilisant des images et des vidéos à haute résolution nécessitent beaucoup plus de mémoire que les données de capteurs.

IoT PCB et design : Cette application IoT de segmentation et de suivi d'images à partir de flux vidéo nécessite une puissance de traitement et une mémoire embarquées importantes.

Cela va en fait à l'encontre du point précédent, car ces types d'algorithmes ML/AI consomment une puissance énorme sur le matériel actuel. Cependant, les start-ups de circuits intégrés proposent de nouveaux ASIC et SoC qui peuvent être spécifiquement dédiés à des tâches de calcul d'IA à faible puissance tout en consommant une énergie plus faible. Une fois ces nouveaux appareils commercialisés, les concepteurs disposeront de plus d'outils pour fournir des fonctions d'IA dédiées directement sur leurs appareils, plutôt que dépendre du cloud pour ces lourdes tâches de calcul.

Formats de données uniformes

Si vous travaillez sur un protocole TCP/UDP standard, les formats de paquets sont déjà définis de manière rigide et les formats de données sont intégrés dans les images du système d'exploitation. En fonction de votre demande, vous devrez peut-être appliquer un nouveau format de données unifié. Dans des domaines comme l'IdO industriel, les normes IPC-CFX imposent un format de données uniforme pour la communication de machine à machine en usine. Une telle norme peut certainement être appliquée ailleurs. Cette norme particulière est adaptable à de multiples protocoles, ce qui en fait davantage une structure de messagerie qu'une nouvelle norme sans fil.

Opportunités de l'IdO d'entreprise pour développeurs intégrés

La mise en œuvre d'une vision de l'IdO d'entreprise concerne autant le logiciel que le matériel. Tous les dispositifs IoT sont en fait des systèmes embarqués avec différents niveaux de complexité. Tous les domaines d'application présentés ci-dessus nécessiteront un certain niveau d'ingénierie logicielle, que ce soit sur ou hors d'un nouvel appareil.

Des domaines d'application comme l'IA pour les expériences clients, le suivi des ressources et l'analyse prédictive ont déjà fait l'objet d'innovations importantes au sein de la communauté des développeurs de logiciels open-source. Les exemples de codes et d'applications personnalisés pour toute une série d'applications abondent déjà pour les applications de bureau, le web et le cloud. Si l'une de ces applications doit passer en proximité dans un environnement IdO d'entreprise, son code devra être adapté pour fonctionner sur des appareils embarqués. Les services de support sur réseau privé, un cloud privé ou un cloud public devront également être adaptés pour recevoir et traiter des données provenant de systèmes embarqués.

Flux de données dans une architecture IoT  d'entreprise

Les développeurs d'API joueront un rôle décisif dans la concrétisation de cette interface entre les périphériques, un réseau d'entreprise et les parties prenantes externes. Tout comme les ressources de fabrication connectées dans un environnement industriel IoT, l'exécution de toutes les requêtes HTTP avec des données JSON constitue une excellente infrastructure pour relier rapidement des périphériques personnalisés aux réseaux d'entreprise. Tous les développeurs de logiciels que je connais ont une expérience d’utilisation des structures de données JSON. Ce type de normalisation permettra à tous, des développeurs expérimentés aux nouveaux entrepreneurs, de participer au développement d’une architecture IoT  dans l’entreprise.

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