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IoT et Objenious™, mise en pratique d’une plateforme IoT LoRa®

L’IoT est le sujet de bien des articles, prospectives et discussions depuis quelques mois déjà. De nombreuses technologies éprouvées permettent de mettre en place un service. Nous avons eu la possibilité d’accéder à un kit de développement LoRa® de la société Objenious™. Je vous propose un rapide tour d’horizon de LoRa et une petite mise en oeuvre de ce kit.

L’IoT en quelques chiffres

De nombreuses études de marchés et de prospectives sur l’IoT sont livrées chaque année.
Si elles divergent parfois, allant du simple au double, elles s’accordent néanmoins pour mettre en avant la formidable croissance de ce marché dans les années à venir.

Une des dernières en date, de l’IDC (Worldwide Semiannual Internet of Things Spending Guide – http://www.idc.com/getdoc.jsp?containerId=IDC_P29475), chiffre, au niveau mondial, le montant des dépenses dans cette industrie à 736 Md$ pour l’année 2016 dans le monde, prévoyant une croissance de plus de 15% par an jusqu’en 2020. Cette progression porte à l’échéance le budget dépensé à 1290 Md$.

À tout le moins, nous pouvons constater la formidable bonne santé des acteurs du secteur dont le chiffre d’affaire à progressé de près de 18% sur l’année 2016.

Les investissements se découpent ainsi :

  • le matériel (30%)
  • les services (27,5%)
  • les logiciels (25%)
  • la connectivité (16,9%)

En 2020, si les dépenses auront doublé pour atteindre 400 Md$, les services et les logiciels bénéficieront de la plus forte progression en pourcentage.

Par secteur, le premier consommateur d’IoT est l’industrie (178 Md$), viennent ensuite le transport (78 Md$), les fournisseurs de fluides (eau, gaz, électricité ; 69 Md$). Le marché des particuliers est quatrième en montant en 2016. IDC estime qu’il occupera la troisième place en 2020. L’assurance, la santé ainsi que la distribution bénéficieront également de la plus grosse croissance en dépense.

Enfin, une tendance que l’on voit déjà émerger, et qui se confirmera, est l’accroissement des usages croisés comme le smart-building ou le véhicule connecté.

Les réseaux LPWan et LoRa®

Les réseaux ont deux modes de connexion : filaire ou non filaire.

Les réseaux filaires sont implémentés dans des conditions naturellement fixes (un câble n’est pas extensible) essentiellement dans des conditions d’installation et d’exploitation aisées (nous ne parlons pas des câbles sous-marins).

Les réseaux non filaires sont de deux ordres principaux : radios et optiques (laser, LiFi). Ils offrent l’avantages de ne pas nécessiter de travaux d’infrastructure de mise en place spécifique, ont un coût de déploiement modéré et une versatilité d’utilisation quasi infinie (de milieux d’usage ou de cas d’utilisation). Le principal obstacle est alors dans le gestion de l’énergie. À ce jour, seule la batterie est à même d’apporter aux composants l’énergie nécessaire à leur fonctionnement et à la transmission de données.

D’où la nécessité de mettre en oeuvre des protocoles réseaux peu consommateurs. L’énergie consommée pour les calculs ou la captation des données est négligeable vis-à-vis de celle nécessaire à la transmission des données.

Les technologies de proximité comme le Wifi, le Bluetooth (Bluetooth Special Interest Group) ou ZigBee (IEEE) offrent des capacités de mobilité intéressantes mais pour des distances de communications limitées, quelques dizaines de mètres tout au plus.

Ces problématiques ont donné naissance à une classe de réseaux appelés LPWan (Low Power Wide Area Network) ou LPN (Low Power Network). Sous l’impulsion des grands acteurs de la standardisation (IEEE, 3GPP) ainsi que de sociétés privées, on trouve dans cette famille les protocoles Sigfox (propriétaire), LoRaWan (alliance) ou NarrowBand IoT (3GPP), LTE-M (3GPP) entre autres.

Le protocole LoRaWan (Long Range Wide-area network) est une implémentation de LPWan développée par une start-up grenobloise, Cycleo, rachetée en 2012 par Semtech, portée par la LoRa Alliance, alliance de sociétés acteurs majeurs des Télécommunications. On y trouve notamment Bouygues Telecom, Orange, KPN, Cisco, Sagemcom, STMicroelectronics, Semtech, …

L’architecture générale est composée d’un réseau radio longue portée, reposant sur une architecture cellulaire de stations de base en étoile relayant en IP les messages vers des serveurs centraux. Les modes de communications sont bi-directionnels et supportent le multi et le broadcasting.

Les débits nominaux vont de 0,3 à 50 kbps et l’optimisation de la consommation énergétique repose notamment sur la négociation de fréquence et de débit, basés sur la distance à l’antenne et la durée du message. Chaque device connecté dispose de ses optimisations particulières gérées par le serveur de réseau. Cela optimise à la fois la batterie du device et l’occupation de la bande de fréquence.

 

Blog IoT - Diagramme réseau

(source Semtech http://www.semtech.com/wireless-rf/internet-of-things/what-is-lora/)

Il existe trois classes de device, afin d’adresser un maximum de cas d’usage :

  • La classe A : deux fenêtres de réception après une emission. Cette classe couvre les objets les moins consommateurs d’énergie.
  • La classe B : des fenêtres de réceptions sont périodiquement ouvertes.
  • La classe C : en écoute permanente de réception.

Les points forts de LoRa sont :

  • Une faible consommation énergétique,
  • Une longue portée,
  • Une pénétration in-door importante,
  • Une localisation sans GPS
  • Des coûts réduits

À l’inverse LoRa® n’est pas désigné pour adresser des cas d’usage nécessitant des débit importants ou de la communication bidirectionnelle en temps réel. Il conviendra alors de se tourner vers la 3G/4G ou 5G quand les réseaux le supporteront (horizon 2020 avec une décision NB-IoT (NarrowBand IoT pour des bas débits).

Blog IoT - Segment tradoffs

(source http://www.semtech.com/wireless-rf/internet-of-things/what-is-lora/)

La société Objenious™

Objenious™ est une filiale de Bouygues Telecom créée début 2016.

Membre fondateur de la LoRa® Alliance, elle s’appuie sur l’expérience de sa maison mère sur la maîtrise des réseaux radio de communication et du M2M en implémentant le standard LoRa®. La division Innovation de ByTel s’est jointe à celle consacrée au M2M.

Elle adopte une approche du business à la manière d’une start-up, couvrant toutes les couches du système privilégiant néanmoins les associations avec des partenaires lorsque cela a du sens. Elle aide les entreprises dans le montage de la chaine de valeur de la conception du device aux services attachés mais son coeur de métier reste le réseau et la connectivité.

Blog IoT - Objenious - Couches

 

Le réseau déployé couvre, fin 2016, la France entière (84% du territoire, 93% de la population).

Blog IoT - Objenious - Couverture

Elle met actuellement à disposition des kits de développement (http://objenious.com/developpeur/).

Blog IoT - Objenious - Kit

Celui en notre possession est composé de :

  • Une carte UC compatible Arduino (logique)
  • Une carte fille radio LoRa (communication)
  • Une carte de communication USB/Série (pour la programmation et le debug)
  • 3 capteurs (interrupteur, rupteur et thermistor)
  • Quelques câbles (USB et électrique) et des résistances

Son utilisation est simple.

La carte fille se branche sur la carte Arduino, les connecteurs disponibles permettent de brancher un ou plusieurs des 3 capteurs. On aura auparavant téléchargé un des programmes d’exemple fournit sur GitHub. Et le tour est joué. À partir de là, il est possible de suivre différents indicateurs disponibles sur la plateforme SPOT.

La plateforme SPOT

La plateforme SPOT (Smart Portal Of Things) d’Objenious™ regroupe les éléments de base nécessaires au pilotage d’un device ou d’un petit ensemble de devices.

analyser

Après le login, l’utilisateur est accueilli par un dashboard regroupant les informations essentielles de sa configuration. Son parc de devices, le nombre d’alertes levées et un récapitulatif des statuts techniques du parc. Trois widgets présentent le positionnement géographiques des devices composant le parc et deux histogrammes des messages montants (uplink) et descendants (downlink).

Il est possible de descendre plus bas dans le suivi des devices avec la liste des mesures remontées, la carte d’identité de chaque device avec sa position. Un monitoring des alertes est également possible.

Enfin, l’utilisateur peut configurer chaque capteur pour en spécialiser le type, définir des zones d’intérêt (geofencing) et établir des scénarios ou des alertes.

Ces deux dernières possibilités permettent une interaction plus fine avec les devices et ouvrent également les devices à des systèmes externes. C’est, par exemple, sur la base d’un scénario qu’il est possible de faire sortir un message vers une plateforme externe.

Un ensemble d’API est également mis à disposition. Il permet un accès à toutes les fonctionnalités de bases offertes par SPOT comme l’énumération des devices, le messaging, etc.

Mise en pratique – Cas d’usage

Actuellement participant en tant que PO à un projet relatif à la voiture connectée, j’ai trouvé un cas d’usage assez simple et représentatif d’exploitation du device Objenious™.

Imaginons un utilisateur qui depuis sa cuisine, alors qu’il prend son petit déjeuner, constate qu’il fait froid dehors et se dit qu’il serait très agréable de monter dans son véhicule alors que celui-ci est à une température agréable. Pour ce faire, il n’a qu’à pousser un petit bouton sur un objet très design et épuré qui trône sur le bar de sa cuisine. L’ordre est alors donné au système de climatisation de pré-chauffer sa voiture. Quelques minutes plus tard, il s’installe au volant dans un habitacle à bonne température et part serein au travail.

Le dispositif est donc constitué d’un board Arduino AirBoard et de la carte fille LoRa Objenious™. Nous y avons connecté un bouton poussoir et un LED multicolore.

Le système interprète le push et transfère le message au Cloud Objenious™ sous la forme d’un message « push=1 ».

Blog IoT - Code source

(Plateform.io)

Côté cloud, un scénario a été créé qui, systématiquement, transfert le message sur une instance externe (POST Message).

Blog IoT - Objenious - SPOT

(SPOT Objenious)

L’instance externe, une EC2 hébergée par AWS, est un serveur NodeJS outillé avec Node-RED. Le flow est relativement simple :

  • A la réception d’un POST (depuis la plateforme SPOT), un contrôle de statut du système de climatisation est effectué,
  • Si le système est en marche, il en informe l’utilisateur par une notification (avec le temps de fonctionnement restant) et le flow s’arrête,
  • Sinon il lance un ordre de climatisation,
  • Si le retour est positif, il en informe l’utilisateur par une notification,
  • En cas d’erreur, une notification est envoyée à l’utilisateur.

Blog IoT - NodeRED

(NodeRED)

Le système de notification utilisé est fourni par pushbullet (au travers d’un module Node-RED) qui offre des connecteurs assez simples et suffisants pour le POC.

Blog IoT - Pushbullet

(Pushbullet.com)

Le temps de mise en oeuvre de ce POC est assez réduit et peut être estimé à une demi-journée pour quelqu’un connaissant le développement Arduino et Node-RED sur une plateforme existante.

Yves Le Pors @ylp_pro

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