Utilisation de modules cellulaires pour les appareils et la conception de l'Internet des objets

À mesure que notre monde devient de plus en plus connecté et piloté par les données, la demande pour de nombreux dispositifs a évolué de la soumission intermittente ou de la collecte de données vers un rapport immédiat aux services cloud. Cela peut présenter de sérieux défis une fois que les dispositifs dépassent le réseau WiFi de votre client, comme des capteurs dans des champs agricoles ou en mouvement. Le coût du déploiement d'un réseau sans fil de toute sorte sur un grand site industriel ou une ferme peut être prohibitif sans considérer les coûts de maintenance et de support. Dans de nombreuses situations, il se peut même qu'il n'y ait pas l'option de déployer un réseau sans fil, comme lorsqu'on travaille avec des équipements de construction ou des véhicules de livraison.

Dans l'un de mes projets récents, nous avons conçu un système de suivi/monitoring GPS connecté en LTE qui pouvait être utilisé comme un dispositif de suivi d'actifs ou de collecte de données de maintenance préventive. Les produits Internet des objets cellulaires comme le projet de suivi d'actifs ne sont attendus que pour gagner en popularité à mesure que plus de dispositifs deviennent plus intelligents et génèrent plus de données que jamais auparavant. Si vous souhaitez ajouter une communication cellulaire à votre prochain produit mobile, voici ce que vous devez savoir sur les réseaux cellulaires et comment ils interagissent avec les dispositifs embarqués/mobiles.

Qu'est-ce que l'IoT cellulaire ?

Si vous vous êtes déjà demandé comment intégrer des capacités cellulaires dans vos produits IoT, j'ai compilé le guide définitif dont vous aurez besoin pour rester à la pointe de la technologie. Voici ce que j'aborderai dans ce guide :

1. Services Internet des Objets Cellulaires
2. Cartes SIM
3. Modules Cellulaires
4. Bandes/Protocoles Cellulaires
5. Opérateurs IoT/M2M
6. Un Modem Cellulaire est-il Adapté pour Vous ?

Services Internet des Objets Cellulaires

Les réseaux cellulaires existent sur une grande partie des terres du monde et offrent facilement le meilleur réseau terrestre le plus accessible pour envoyer vos données dans le cloud, où que votre appareil puisse aller. Grâce aux bandes et protocoles standardisés, nous pouvons fournir un appareil à New York, USA, York, UK, ou même York en Australie avec un modem cellulaire et savoir qu'il sera capable de connecter nos services sans nécessiter aucune nouvelle infrastructure.

Bien que le concept des appareils « Internet des Objets » soit relativement nouveau, l'utilisation des réseaux cellulaires pour les communications machine n'est pas une nouveauté. Si vous envisagez d'utiliser le cellulaire pour votre appareil, vous pourriez penser au coût d'être lié à un abonnement téléphonique ou à un contrat similaire juste pour utiliser une petite quantité de données. Heureusement, vous n'avez pas à vous en soucier ! Là où vous avez des fournisseurs de téléphonie pour votre téléphone mobile, vous avez des fournisseurs Machine à Machine (M2M) pour les appareils. Les fournisseurs M2M présentent plusieurs avantages majeurs par rapport à un fournisseur de réseau cellulaire typique :

Ils tendent à permettre l'accès à des centaines de réseaux dans le monde, plutôt que juste le leur.

• Ils ont tendance à permettre l'accès à des centaines de réseaux dans le monde, plutôt qu'à leur propre réseau uniquement.
• Ils sont généralement uniquement pour les données ou les données + SMS, donc vous ne payez pas pour des fonctionnalités coûteuses de voix et de vidéo.
• Vous n'avez généralement pas besoin d'un forfait ou d'un abonnement, et ils sont à la carte/prépayés avec une longue expiration des crédits.

Tous les principaux fournisseurs de connectivité IoT, comme Hologram ou Truphone, fournissent déjà une couverture mondiale ou sont en train d'étendre leurs réseaux à l'échelle mondiale. Ils peuvent y parvenir en négociant avec les opérateurs locaux en votre nom et en tirant parti des volumes de données cumulés de leurs clients. Cela signifie que vous pouvez acheter quelques mégaoctets de données à un prix très bas, avec une durée de validité de six mois ou un an, ce qui est parfait pour collecter des données de capteurs de manière intermittente. Supposons que vous ayez un grand nombre de dispositifs déployés. Dans ce cas, un fournisseur M2M vous permettra souvent de gérer toutes vos cartes SIM de manière centralisée et d'avoir une allocation de données par compte plutôt que par appareil, ce qui peut encore réduire les coûts et les charges administratives.

En plus de la gestion centralisée, de nombreux fournisseurs offrent également une API pour gérer facilement les SIMs. Cela vous permet de fournir facilement des informations et des données à vos clients via votre propre portail. Les règles d'automatisation avec la plupart des fournisseurs vous permettent d'être automatiquement notifié de tout problème avec vos appareils, vous permettant d'être proactif au lieu d'attendre que vos clients commencent à demander pourquoi leurs données ne sont plus collectées.

Pour les tests, certains opérateurs mobiles réguliers comme Three (du moins dans certains pays) vous permettent d'avoir une carte SIM sans contrat que vous pouvez activer et obtenir une quantité relativement importante de données mensuelles, au moins pour les applications IoT, gratuitement chaque mois - typiquement environ 200 Mo. Pour un utilisateur avec un téléphone ou une tablette, cela pourrait vous permettre de charger Facebook une fois tous les quelques jours pendant le mois, mais pour un nœud IoT envoyant des données textuelles compressées, cela pourrait permettre d'envoyer des milliers de lectures de capteurs chaque jour sans aucun coût.

Cartes SIM

Typiquement, les cartes SIM d'un fournisseur régulier ne sont pas accompagnées d'une fiche technique ; sans parler d'une plage de température de service spécifiée ou de qualifications industrielles/automobiles. Avec les cartes SIM M2M, vous pouvez obtenir des cartes à plage de température étendue qui offrent une durée de vie nominale de 10 ans. Ces évaluations peuvent être cruciales pour le succès de votre appareil. Si votre appareil se trouve sur un derrick de pétrole isolé ou dans une ferme rurale, le coût de la visite d'un technicien ou d'un ingénieur sur le site pourrait être incroyablement élevé, juste pour remplacer une carte SIM qui coûte quelques dollars.

De même, il ne faut pas s'attendre à ce que les cartes SIM de qualité grand public aient une durée de vie supérieure à celle du contrat de 24 mois du téléphone. Si votre produit doit surveiller un équipement dans un environnement difficile, il pourrait y rester une décennie sans nécessiter de maintenance, tant que l'alimentation est assurée. Associé à un support de carte SIM de haute qualité tel que ceux de Würth, Molex et d'autres, vous pouvez être sûr que votre produit ne perdra pas sa connectivité si la carte SIM échoue dans votre appareil Internet des objets cellulaire.

Carte SIM embarquée (eSIM)

En alternative, l'utilisation d'un module modem cellulaire intégré comme une carte SIM (eSIM) permet de gagner un espace considérable sur la carte. Alors qu'une carte SIM est en lecture seule, une eSIM est réinscriptible et, mieux encore, peut être montée en surface comme n'importe quel autre composant de votre carte. Il est important de noter que le support eSIM n'est pas aussi largement disponible que pour une carte SIM classique. Cependant, la plupart des grands réseaux dans le monde développé les prendront en charge. En plus d'économiser de l'espace sur la carte, l'adoption d'une eSIM pour les produits de l'Internet des objets cellulaires pourrait également représenter d'importantes économies de coûts. Le coût d'une puce eSIM est généralement inférieur à celui d'une carte SIM plus un support et permet d'économiser considérablement sur le travail d'insertion manuelle d'une carte SIM dans un support. L'eSIM pourrait être programmée automatiquement pendant le processus de rodage et de test de l'assemblage de votre appareil.

Cryptographie

Il existe des avantages passionnants à ajouter une SIM à vos produits qui peuvent être cachés. L'histoire des cartes SIM est profondément liée aux cartes à puce, et de nombreux microcontrôleurs orientés SIM disposent d'un support cryptographique étendu.

Pour ces raisons, certains fournisseurs d'Internet des objets (IoT) cellulaire comme Hologram ont ajouté la gestion intégrée des certificats, une chaîne de confiance, des jetons à usage unique et d'autres fonctionnalités de sécurité avancées dans leurs cartes SIM. Gérer les certificats n'est pas une tâche facile : le sujet est extrêmement compliqué, et de petites erreurs peuvent avoir un impact durable sur votre entreprise. Même dans ce cas, il est difficile de trouver des bibliothèques cryptographiques utiles pour les microcontrôleurs plus petits. Les SIM IoT peuvent être le premier pas vers des communications plus robustes et plus sécurisées pour vos appareils.

Modules IoT Cellulaires

Avec les complexités de la certification des opérateurs cellulaires en plus des lois de conformité électromagnétique pour les radiateurs intentionnels et tout le programmation nécessaire à la construction d'un module cellulaire, vous voudrez presque certainement utiliser un module cellulaire. Là où un module radio pré-certifié typique est moins cher à implémenter jusqu'à environ 10 000 unités par rapport à la réalisation de la conception et de la certification par vous-même, un module cellulaire sera probablement moins coûteux qu'une approche faites-le vous-même pour bien plus de 100 000 unités fabriquées. Heureusement, il existe des options modernes et fantastiques disponibles.

Historiquement, les modules cellulaires ont été volumineux, gourmands en énergie et limités en capacités. Le populaire SIMCom SIM900, par exemple, mesure 24 sur 24 mm (576 mm²), tandis que le plus moderne uBlox SARA-R4, que j'ai utilisé dans mon projet, mesure 16 sur 26 mm (416 mm²) mais offre des capacités nettement supérieures et une bande passante beaucoup plus élevée. En tirant parti des nouvelles bandes LTE, le module cellulaire uBlox fournit des débits de données plus de quatre fois supérieurs à ceux du SIM900. L'uBlox n'utilise pas sensiblement plus d'énergie pour communiquer avec le réseau que le SIM900, cependant, avec jusqu'à 4 fois le débit de données grâce à la LTE, l'envoi de la même quantité de données consomme potentiellement un quart de l'énergie, ce qui est excellent pour la durée de vie de la batterie.

Les modules cellulaires restent des consommateurs d'énergie relativement élevés, malgré les grands progrès de la technologie au cours des dernières années. En revanche, un module LoRaWAN typique n'utilise que 450 mW de puissance pour transmettre à sa puissance maximale comparé à 2 W ou plus pour un module LTE. Cependant, le module LTE transmettra automatiquement en utilisant beaucoup moins de puissance s'il est plus proche d'une tour cellulaire. En revanche, le module LoRa sera typiquement programmé pour utiliser un niveau de puissance fixe, et un développement de firmware supplémentaire est nécessaire pour inclure des fonctionnalités de réduction automatique de la puissance de transmission power reduction. Malgré une consommation d'énergie apparemment élevée, le débit d'un module LTE est bien supérieur à celui d'un module LoRaWAN. LoRA a un débit maximal de 27 kbps, presque 15 fois plus lent que le débit maximal d'un module LTE. Avec seulement quatre fois la consommation d'énergie, un module LTE peut terminer la transmission des données plus rapidement et retourner en mode veille, utilisant globalement moins d'énergie.

Malgré le fait qu'il pourrait utiliser moins d'énergie par octet, la grande consommation d'énergie maximale du module LTE a d'autres coûts. Une alimentation plus grande est requise, ce qui augmentera le coût des composants sur la carte, la taille de la carte, et potentiellement la batterie ou la source d'alimentation de l'appareil pour gérer le courant.

Quel module cellulaire utiliser ?

Après beaucoup de recherches pour mon projet de traqueur LTE, le uBlox SARA R410 a le mieux répondu à mes besoins ; cependant, il se pourrait qu'il ne soit pas le module cellulaire parfait pour les besoins de votre projet. Voici quelques alternatives remarquables, sans ordre particulier :

Bandes/Protocoles Cellulaires

Le 3GPP (3rd Generation Partnership Project) est l'organisme responsable du développement de nouvelles spécifications techniques pour les réseaux cellulaires. Leur travail est ensuite incorporé dans les normes par de nombreux comités nationaux et internationaux.

Si vous lisez toutes les spécifications et le matériel créé par le 3GPP en profondeur, vous mentionnerez à peine les terminologies marketing souvent surmédiatisées telles que 4G, 4.5G et 5G. L'équipe du 3GPP travaille avec une approche remarquablement sobre et humble, considérant que beaucoup de la technologie moderne est construite sur leurs épaules. Les seules directives qu'ils offrent sur le sujet sont les suivantes :

• 1G : Première technologie de téléphone sans fil basée sur l'analogique. Pensez aux films de Wall Street des années 80 et aux téléphones-briques.
• 2G : Technologie des années 1990, GSM/GPRS, EDGE, SMS et services de données. Toujours largement adoptée par nous, les gens de l'industrie électronique, c'est très certainement une technologie héritée.
• 3G : Améliorations par rapport aux technologies GPRS et EDGE existantes, amélioration des débits de données, approche orientée paquets.
• 3.5-4G : Inclut LTE, LTE Advanced et LTE Advanced Pro. C'est la génération la plus couramment adoptée par les appareils modernes et les opérateurs.
• 5G : La dernière génération, qui commence tout juste à être mise en œuvre dans les nations les plus riches du monde, couvre un nombre significatif d'innovations et fait l'objet d'un marketing intensif.

Actuellement, la dernière version 3GPP gelée est la Release 15 (approuvée en 2017), tandis que les Release 16 et Release 17 sont encore en cours de développement. Les spécifications 3G et 4G relèvent principalement de la norme LTE. LTE divise les appareils en catégories basées sur le débit de données alloué, le numéro de version, la configuration MIMO et d'autres paramètres.

Les catégories 1 à 5 sont les originales - remontant à la Release 8 en 2006, et couvrant de environ 10 Mbit à 300 Mbit. La Release 10 et la Release 11 ont étendu la vitesse maximale atteignable à 4 Gbit à travers les catégories 6 à 12.

Ce qui nous intéresse davantage, c'est ce que les versions 12 et 13 ont apporté. La première a introduit le CAT-0 avec une vitesse maximale de 1 Mbit et une consommation d'énergie réduite. La suivante est descendue à 0,68 Mbit mais a permis la création de dispositifs à ultra-faible consommation d'énergie, rivalisant avec des protocoles comme SigFox et LoRa, ainsi qu'en permettant une durée de vie de la batterie de 10 ans avec une seule pile lithium primaire.

Si vous avez besoin d'une durée de vie de batterie de 10 ans, vous n'avez guère d'autre choix que d'opter pour l'IoT-NB, mais si vos besoins en énergie sont un peu plus souples, alors le CAT-M avec une solution de secours CAT-1 devrait vous couvrir à l'échelle mondiale. Heureusement, de nombreuses entreprises proposent des modules LTE prenant en charge plusieurs protocoles, généralement une combinaison de NB-IoT et CAT-M, parfois avec un secours GPRS ou CAT-1.

2G et 3G

Les réseaux 2G, du type souvent utilisé dans les dispositifs embarqués anciens, offrent une vitesse de connexion maximale de 40 kbps, rendant la connexion impraticable pour de nombreuses applications modernes, telles qu'une API web avec de nombreuses lectures de capteurs ou d'autres données transférées. La faible vitesse nuit également à la consommation d'énergie. Si vous envoyez 1 MByte de données, vous devez garder votre modem 2G allumé pendant 3 minutes. En choisissant un modem plus rapide, vous pouvez prolonger le temps de veille autant que possible, économisant ainsi du temps et de l'énergie de la batterie.

De nombreux opérateurs de réseau déprécient entièrement le support 2G. Il n’est pas utilisé par la grande majorité des appareils mobiles en usage aujourd'hui, et la demande des clients est pratiquement inexistante en dehors des zones rurales. La majorité des applications pour smartphones ne fonctionneront pas sur une connexion 2G car le débit de données est trop lent et semble pour le logiciel comme si le réseau ne répondait pas. La 3G suit rapidement le chemin de la 2G pour des raisons très similaires. Les appareils modernes nécessitent un débit supérieur à ce que la 3G peut fournir, et soutenir cette technologie a peu de sens pour un opérateur moderne. Bien qu'il y ait beaucoup plus de support pour la 3G dans le monde que pour la 2G, ses jours sont comptés.

Catégories LTE

Très bientôt, le niveau minimum de capacités cellulaires qui sera disponible dans la majorité du monde sera fourni par les réseaux LTE. Voici une courte description des différentes catégories LTE :

5G

La 5G est assez différente des catégories LTE mentionnées ci-dessus. Elle augmente non seulement ses performances et ses exigences, avec un support jusqu'à 71GHz en fréquence, mais permet également un nombre massif d'appareils. La 5G pose les bases d'une société plus connectée à travers les versions 15 à 17 de 3GPP : communication critique pour les missions, API pour développer la technologie, connectivité véhiculaire et ferroviaire, communication ultra-fiable, faible latence, réseaux privés, et même les Réseaux Non-Terrestres (NIN) et la communication par satellite. La 5G va donc plus haut, plus loin, et aussi plus petit à travers le support étendu pour les dispositifs à ultra-faible puissance et les mises en œuvre de complexité réduite à travers le protocole NB-IoT mentionné précédemment.

De nombreuses fonctionnalités très promues de la 5G vont probablement être assez inutiles pour les applications embarquées. La large bande passante risque d'être difficile à exploiter pour un microcontrôleur ou un microprocesseur embarqué. Les nouvelles bandes haute fréquence limitent considérablement la portée d'accès à une tour, et surtout - les modems cellulaires prenant en charge la LTE ne sont sortis que très récemment. Il faudra probablement plusieurs années avant qu'un modem 5G produit en masse, à faible coût et d'application pratique pour la plupart des dispositifs IoT soit lancé.

Au cours des 50 dernières années, les dispositifs embarqués auxquels nous, ingénieurs en électronique, avons accès ont suivi l'industrie informatique grand public avec environ 20 ans de retard. Nous utilisons des microcontrôleurs d'une densité similaire à celle d'un CPU vieux de 20 ans. Nos systèmes de base embarqués sous Linux ont généralement la puissance d'un système du début des années 2000. Nous utilisons encore souvent la technologie des années 2000 dans nos dispositifs pour la communication sans fil (les réseaux GPRS dont nous avons parlé). Il est vrai que les dispositifs que nous utilisons représentent une fraction de la taille et du coût de la technologie d'il y a 20 ans. Juste au cours des dernières années, nous avons commencé à voir cet écart se réduire considérablement, en partie grâce à l'industrie des appareils portables. L'énorme dynamique de l'industrie des smartphones va-t-elle se répercuter pour nous fournir des modems cellulaires pré-certifiés accessibles dans un avenir proche ?

Fonctionnalités LTE

Le 3GPP a introduit plusieurs fonctionnalités qui garantissent une consommation d'énergie significativement plus basse dans les produits Internet des objets cellulaires, en particulier pour les produits utilisant le protocole NB-IoT. Deux fonctionnalités importantes sont :

Mode Économie d'Énergie (PSM)

Le mode PSM ou Power Save Mode permet à l'appareil de se mettre en veille sans se déconnecter du réseau. Bien qu'aucune donnée ne puisse être échangée pendant cette période, cette fonctionnalité élimine les inconvénients du sommeil modem typique, tels que la poignée de main gourmande en énergie pour rejoindre le réseau et les délais d'expiration après l'entrée en veille. L'appareil communique sa préférence concernant le temps de sommeil au réseau, mais c'est ce dernier qui a le dernier mot.

Réception Discontinue Étendue (eDRX)

eDRX est un acronyme quelque peu cryptique pour une fonctionnalité simple. Lorsqu'activé, l'appareil peut choisir une période eDRX pendant laquelle il ne pourra pas recevoir de messages mais seulement en envoyer. Bien que les économies d'énergie ne soient pas aussi importantes qu'avec le PSM, cela permet à l'appareil de continuer à envoyer des données et représente un compromis intéressant. C'est étendu par rapport aux périodes de quelques secondes précédemment autorisées pour les appareils LTE.

Opérateurs IoT/M2M

Voici une liste d'opérateurs de réseaux SIM IoT, et bien que nous n'offrions aucune recommandation, les suivants, parmi d'autres, se sont constamment distingués dans les avis en ligne :

• Things Mobile est probablement le fournisseur M2M le plus célèbre ciblant spécifiquement l'IoT, car il a été l'un des premiers acteurs sur le marché cellulaire IoT.
• 1NCE propose des options de 10 ans à des prix attractifs.
• Truphone est un opérateur basé au Royaume-Uni qui est en activité depuis de nombreuses années et qui s'adresse principalement aux entreprises. Il dispose maintenant d'un large portefeuille IoT.
• Hologram offre d'importants services cloud, un SDK Python et un support intégré pour les SBC Linux (ordinateurs à carte unique). C'est l'un des plus faciles à démarrer.
• Twilio Narrowband est la dernière offre de Twilio, l'un des plus grands opérateurs de VoIP et de courrier électronique au monde, réputé pour être extrêmement convivial pour les développeurs.

Un modem cellulaire est-il adapté à vos besoins ?

Pour certaines applications, une connexion cellulaire peut être le seul moyen de renvoyer des données à vos services web sans devoir développer une infrastructure physique et logicielle étendue. Depuis les premiers jours, la technologie cellulaire s'est accompagnée de gros modems et de débits de données terribles qui consommaient beaucoup d'énergie par octet transmis. Cela dit, si vous disposez d'une connexion WiFi et que l'appareil sera toujours à portée de cette connexion WiFi, il est plus facile d'opter pour le WiFi plutôt que de développer un produit Internet des objets cellulaire. Vous n'avez pas besoin de gérer une carte SIM et le contrat M2M qui l'accompagne - c'est beaucoup de surcharge supplémentaire lorsque vous avez déjà une connexion utilisable.

Si votre appareil doit être en mouvement ou dans un lieu sans autres options de réseau, alors le cellulaire pourrait être parfait tant qu'il y a de la couverture. Utiliser un modem cellulaire sera moins cher et plus rapide que presque toutes les autres options disponibles. Si vous travaillez sur un appareil qui sera très éloigné, vous pourriez avoir besoin de regarder du côté d'un service satellite en tant que sauvegarde au cellulaire pour garantir que vos données soient soumises à temps. L'avantage d'utiliser un modem cellulaire préemballé est que de nombreux défis EMC dans un dispositif mobile haute fréquence sont déjà résolus au niveau du modem. Votre travail en tant que concepteur de PCB est de disposer correctement le reste de la carte autour du modem tout en assurant l'isolation entre les différents blocs de circuits.

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