Electronique Mag - Le journal de l'électronique.
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Grâce à leur présence mondiale, leur robustesse, leur faible consommation énergétique et à des fonctionnalités de sécurité avancées, les objets connectés cellulaires deviennent la première technologie LPWAN (Low Power Wide Area Network). Depuis le suivi d’actifs et les compteurs intelligents jusqu’aux villes intelligentes et à l’agriculture 2.0, l’IoT cellulaire permet aux objets connectés de communiquer sur des distances de plusieurs kilomètres tout en utilisant de modestes quantités d’énergie.
Cependant, cette quantité d’énergie utilisée est déterminée par l’efficacité de l’objet connecté cellulaire et par son application. De mauvais choix de conception peuvent avoir un impact sur la durée de vie de la batterie, et contraindre les utilisateurs à recharger, voire changer, régulièrement les batteries, entraînant des désagréments et un sentiment de frustration. L’une des solutions possibles consiste à utiliser une batterie plus grosse, mais cela suppose des coûts, un volume et un poids supérieurs. Il est aussi possible, ce qui est bien mieux, d’adopter une approche systématique lors de la conception de l’objet connecté, de manière à s’assurer qu’aucun joule n’est gaspillé.
Le traceur d’actifs Tuff de Tavago Tech utilise les services nRF Cloud de Nordic pour l’aider à acquérir les données de localisation GNSS, cellulaires et Wi-Fi à partir de la puce nRF7000 et d’un SiP de la série nRF91. (Crédit image : Tavago Tech.)
Le voyage démarre par la sélection du matériel et du logiciel le plus efficace, et se finit par la connexion aux services de Clouding, qui permettent aux développeurs de réaliser des tâches telles que faire un compromis entre consommation énergétique et précision de la localisation dans les applications de suivi d’actifs.
Bien que ce ne soit pas le seul facteur à avoir un impact sur la durée de vie de la batterie, la transmission radio est le contributeur le plus significatif à la consommation de courant. Plus une radio LTE-M/NB-IoT peut être allumée rapidement, envoyer ses données et retourner à l’état de veille, ou plus une radio GNSS peut se fixer rapidement sur un groupe de satellites, déterminer la localisation et retourner à l’état de veille, plus l’appareil IoT sera efficace.
Il y aura toujours une peu d’activité radio nécessaire, pour garantir que l’appareil IoT cellulaire reste enregistré et connecté au réseau, de sorte que les données puissent être envoyées quasiment de façon instantanée dès que nécessaire. Cependant, il existe plusieurs techniques d’économie d’énergie qui peuvent être utilisées pour minimiser le temps de transmission radio tout en assurant une connexion réseau fiable.
Le nRF9151 a été conçu intégralement pour minimiser la consommation énergétique et intègre une compatibilité totale avec les technologies eDRX et PSM, en plus des fonctionnalités d’économie d’énergie propriétaires de Nordic.
La première technique est la réception discontinue (eDRX). Lorsqu’on utilise la réception eDRX, l’appareil IoT surveille les messages radio en liaison descendante issus du réseau moins souvent, ce qui économise de l’énergie car la radio n’a pas besoin d’être allumée aussi fréquemment. L’appareil IoT reste attaché et enregistré sur le réseau mais passe des périodes plus longues en mode veille.
C’est un compromis : quand l’appareil IoT cellulaire ne surveille pas les messages radios en liaison descendante, il n’est pas joignable par le réseau (cette indisponibilité entraîne une latence dans les communications cellulaires). L’intervalle eDRX est en général programmable entre des limites minimale et maximale, qui permettent au développeur de trouver un équilibre entre la consommation énergétique et la latence qui réponde aux besoins de l’application.
La deuxième technique pour économiser de l’énergie va plus loin, en plaçant l’appareil IoT cellulaire dans un état de veille plus profond. Le mode économie d’énergie (PSM, Power Saving Mode) éteint le modem, tandis que l’appareil est toujours enregistré sur le réseau. L’appareil ne sera pas joignable pendant un temps déterminé, mais peut se réveiller dès qu’il le souhaite (par exemple en réponse à une alarme).
Cependant, l’appareil doit tout de même rester connecté au réseau. Pour ce faire, il se réveille pour envoyer régulièrement un signal de mise à jour de zone de suivi (TAU, Tracking Area Update) au réseau, à une fréquence déterminée par le temporisateur de TAU périodique. Une autre option consiste à ce que l’application réveille l’appareil pour envoyer un message en liaison ascendante avant l’expiration du temporisateur de TAU périodique, bien que cette option utilise plus d’énergie car il faut attendre que le temporisateur fasse son travail.
Nordic Semiconductor possède une longue expérience en matière de solutions sans fil, où « profiter du moindre microwatt » est essentiel. Désormais, le petit dernier des appareils IoT cellulaires de la série nRF91 va encore plus loin. Le SiP (System-in-Package) nRF9151 a été conçu intégralement pour minimiser la consommation énergétique et intègre une compatibilité totale avec les technologies eDRX et PSM, en plus des fonctionnalités d’économie d’énergie propriétaires de Nordic.
Comme exemple de fonctionnalités d’économie d’énergie de Nordic, on peut citer la « mobilité réduite », qui limite les échanges entre cellules, afin de diminuer l’activité du modem pour les appareils qui sont majoritairement stationnaires. Autre exemple de fonctionnalité de ce type : « l’optimisation de la recherche spécifique à un pays », dans laquelle les paramètres de recherche de réseau pour 70 pays peuvent être préchargés, ce qui économise l’énergie consommée pendant la recherche initiale d’un réseau sur un nouvel emplacement. Troisième fonctionnalité : « annulation précoce de la recherche de réseau ». Si les conditions radio sont mauvaises, le modem peut recevoir comme instruction d’annuler les tentatives de connexion à un réseau et de réessayer plus tard plutôt que de gaspiller de l’énergie à effectuer une recherche complète.
La localiation Wi-Fi pour les applications de suivi d’actifs est possible en combinant le nRF9151 et le puce Wi-Fi complémentaire nRF7000 de Nordic.
Comme Nordic en conçoit toute la partie matérielle comme la partie logicielle, le SiP nRF9151 offre une solution faible consommation ultra efficace et optimisée, compatible avec les standards LTE-M/NB-IoT 3GPP version 14 et DECT NR+ (la première norme technologique 5G non cellulaire au monde).
Pendant le développement de l’architecture du nRF9151, les décisions de conception ont été prises en imaginant l’alimentation du SiP uniquement à partir d’énergie récoltée (comme l’énergie photovoltaïque) pour certaines applications. Quelle que soit l’efficacité intrinsèque du produit IoT cellulaire, la récolte d’énergie va allonger de façon significative la durée de vie de la batterie. Et dans le cas du SiP nRF9151, la récolte d’énergie ne suppose aucune contrainte pour la connectivité ou les capacités de calcul de la puce.
Cependant, il est important de savoir que la récolte d’énergie peut avoir un impact sur le rapport cyclique de l’application. Heureusement, la flexibilité intrinsèque aux solutions IoT cellulaires de Nordic facilite la mise en adéquation entre le rapport cyclique et les réserves d’énergie prévues de la batterie du produit IoT cellulaire. Le nRF9151 comporte une autre amélioration qui aide à allonger la durée de vie de la batterie sur certaines applications : la compatibilité avec une puissance de sortie 20 dBm Power Class 5, en complément de la compatibilité existante avec la puissance de sortie 23 dBm Power Class 3 de la série nRF91. Cette puissance de sortie supplémentaire permet aux développeurs d’économiser de la puissance de transmission, aidant à prolonger la durée de vie de la batterie (si la puissance de sortie de Classe 5 correspond aux besoins de l’application). Cette amélioration offre une meilleure flexibilité aux développeurs et élargit l’éventail des cas d’utilisation possibles pour le SiP.
Le suivi d’actifs est l’une des principales applications IoT cellulaires. Grâce à la compatibilité IoT cellulaire de bout en bout de Nordic, intégrant les services de Clouding nRF, les développeurs qui utilisent le nRF9151 (ainsi que les autres SiP de la série nRF91) peuvent allonger la durée de vie de la batterie, par exemple en utilisant les services de localisation et en faisant un compromis entre la précision et la consommation énergétique.
Les services de localisation nRF offrent trois techniques de localisation qui permettent des économies d’énergie. Le premier service est le GPS assisté et prédit (respectivement A-GPS et P-GPS). Les technologies A-GPS et PGPS fournissent différents niveaux de précision de localisation et consomment moins d’énergie qu’un GPS conventionnel. Elles accèdent aux données d’assistance du satellite stockées dans une base de données de GPS située au sol, qui est relayée vers l’appareil IoT via le réseau LTE ; l’appareil IoT peut ensuite trouver les satellites en quelques secondes, au lieu de plusieurs minutes, ce qui économise de l’énergie. La technique P-GPS est proche de la technique A-GPS et fournit plus de deux semaines de données d’assistance à l’appareil IoT. On obtient ainsi des économies d’énergie encore plus importantes pour les appareils, qui peuvent rester en veille pendant de plus longues périodes.
La seconde technique de localisation, soit les services de localisation LTE, peut être utilisée pour économiser de la batterie par rapport aux techniques P-GPS et AGPS. Ces services permettent de localiser l’appareil de suivi d’actifs en identifiant sur quelle cellule de télécommunication l’appareil de suivi est situé puis en référençant l’identification de la cellule par rapport à une base de données des localisations des stations de base connues. Cette technique offre une précision à l’échelle du kilomètre tout en n’impactant que très peu la durée de vie de la batterie. La localisation multi-cellulaire, proche de la technique mono-cellulaire, référence la position de plusieurs stations de base à proximité au lieu d’une seule, afin d’offrir une précision de localisation à quelques centaines de mètres près, tout en maintenant la consommation énergétique à un faible niveau.
Il est également possible d’utiliser la localisation Wi-Fi pour les applications de suivi d’actifs, mais pour ce faire, le développeur doit combiner un SiP nRF9151, ou un autre SiP de la série nRF91, avec la puce Wi-Fi complémentaire nRF7000 de Nordic. Lorsqu’elle est utilisée pour la localisation Wi-Fi, la puce nRF7000 demande à n’importe quel point d’accès Wi-Fi à proximité son SSID (Service Set IDentifier). Ensuite, le nRF9151 envoie le SSID au Cloud nRF à l’aide de la connectivité NB-IoT ou LTE-M. Le Cloud nRF vérifie ensuite une ou plusieurs bases de données WI-Fi SSID et renvoie la localisation des SSID, accompagnée d’un degré d’incertitude, vers une interface utilisateur de type smartphone. (Voir la figure 1) La localisation SSID à l’aide du Wi-Fi est bien plus précise (résolution d’environ 20 mètres) que la localisation basée sur les réseaux cellulaires, et bien moins énergivore que celle reposant sur la technologie GNSS.
Les services Cloud nRF prennent également en charge le protocole CoAP (Constrained Application Protocol), qui est un protocole beaucoup plus efficace que MQTT (Message Queuing Telemetry Transport), REST (Representational State Transfer) ou HTTP (Hypertext Transfer Protocol). La compatibilité avec le protocole CoAP permet de réduire l’épuisement de la batterie.
Les SiP IoT cellulaire ultra efficaces ainsi que les services nRF Cloud permettent, par exemple, aux fabricants de traceurs d’actifs de créer des appareils compacts et légers, dotés de capacités de traitement puissantes, qui peuvent fonctionner pendant des années avec un seul cycle de chargement de la batterie, ce qui diminue les besoins en maintenance. Et comme la production et la mise au rebut des batteries sont, de fait, largement réduites, cela est bénéfique pour l’environnement également.
Martin Lesund est responsable du marketing technique pour l’IoT cellulaire chez Nordic Semiconductor. Il est titulaire d’un Master of Science en génie électrique délivré par l’Université de sciences et technologie de Norvège. Avant de prendre ses fonctions actuelles, il a acquis plus de trois ans d’expérience comme ingénieur d’application au département de support technique de Nordic, et y était spécialisé dans la série nRF91, le SDK nRF Connect et l’IoT cellulaire. Actuellement, Martin Lesund aide les clients de Nordic à optimiser leurs solutions IoT cellulaires pour de nouvelles applications. Ses loisirs sont la randonnée, le jogging, l’escalade et le vélo.
