Modules IoT (WiFi/Bluetooth)
(457)Les appareils IoT (Internet of Things) sont par définition des circuits électroniques dotés de fonctionnalités de communication. Dans la grande majorité des cas, ils utiliseront la transmission de données sans fil, en utilisant principalement des normes mondiales telles que le Wi-Fi ou le Bluetooth. Pour que la mise en œuvre de telles solutions se déroule sans heurts, des systèmes prêts à l’emploi sont presque toujours utilisés. Cela est dû au fait que leur conception nécessite des tests approfondis et une architecture spécifique – l’utilisation d’un module de communication préparé par un fabricant spécialisé est tout simplement la solution la plus économique et la plus efficace. Jetons un coup d’œil à l’offre et aux caractéristiques de tels modules.
Sélection et types de modules de communication
Le découpage principal des modules de communication peut être réalisé en tenant compte des standards qu’ils supportent ou selon leurs capacités de programmation. La première caractéristique est évidente : elle concerne les technologies auxquelles le produit a été adapté. La seconde est liée à la construction du module. Puisqu’une transmission de données stable et sécurisée nécessite une puissance de calcul relativement élevée, de nombreux systèmes utilisent des microcontrôleurs ou SoC (System on Chip) qui peuvent fonctionner indépendamment et même contrôler le fonctionnement de l’ensemble du circuit. Dans de tels cas, le module de communication devient la plate-forme sur laquelle l’ensemble de l’appareil est conçu. Cela se traduit par simplifier l’étape de prototypage et de construction, accélérer la production et souvent aussi réduire ses coûts.
Caractéristiques importantes des modules de communication
Lors du choix d’un module pour une application, vous devez d’abord décider de la méthode de communication qui sera la mieux adaptée aux besoins du projet – dans le cas des appareils IoT dans le domaine de l’électronique grand public et industrielle, les normes Bluetooth et Wi-Fi sont le plus souvent considéré. Cependant, il convient de garder à l’esprit qu’il ne s’agit pas de technologies homogènes.
Standards Bluetooth
Bluetooth est une technologie de communication sans fil et fonctionne sur des fréquences ISM ouvertes (ang. industrial, scientific, and medical). Les versions Bluetooth successives (2.0, 3.0, jusqu’aux itérations 5.x actuellement développées) prennent en compte les fonctionnalités requises par un groupe d’appareils de plus en plus large : il s’agissait à l’origine de petits accessoires pour ordinateurs et téléphones portables ( souris, casques), tandis qu’au fil du temps, il a été possible de construire des systèmes de communication plus étendus, un transfert de données plus rapide, la coopération de plus d’appareils, la prise en charge des réseaux mesh (ou maillés) (la portée maximale a également été étendue, la détection périphérique a été améliorée et la sécurité des communications a été améliorée). Le changement le plus important de la dernière décennie a peut-être été la prolifération du protocole Bluetooth Low Energy (pris en charge par les versions 4.0 et supérieures).
Le protocole Bluetooth Low Energy (Bluetooth BLE) utilise une modulation plus simple et, comme son nom l’indique, a été développé avec l’idée de construire des appareils économes en énergie, surtout ceux alimentés par batterie. Sa spécification définit un certain nombre de profils, chacun étant dédié à un type d’appareil spécifique (navigation GPS, tensiomètres, pèse-personnes, HID, c’est-à-dire Human Interface Device, etc.). En pratique, le profil le plus utilisé est le GATT, Generic Attribute Profile qui est basé sur une arborescence de services et leurs attributs. Le profil définit des méthodes transparentes de lecture et de modification des valeurs placées dans les attributs. Ils jouent un rôle similaire aux registres du processeur – ils sont simplement utilisés pour faire fonctionner l’appareil (modifier ses paramètres, échanger des données, etc.).
Versions Wi-Fi
Le Wi-Fi appartient à l’ensemble de normes IEEE 802.11 et définit les protocoles de réseau sans fil en termes de couche physique et de sous-couche de liaison de données. En pratique, cela signifie que les versions ultérieures du Wi-Fi définissent les aspects clés de la communication : fréquences, nombre et largeur des canaux de transmission, vitesse maximale, etc. Les versions ultérieures du Wi-Fi sont marquées de lettres désignant la norme IEEE concernée : Wi-Fi 1 est la lettre b, 2 – a, 3 – g, 4 – n, 5 – ac, 6 – ax. Les versions sont rétrocompatibles et la communication s’effectue sur les bandes 2,4 GHz et 5 GHz.
Puisque le Wi-Fi est utilisé pour se connecter à Internet, ou au moins à un réseau local, les modules de communication supportant ce protocole permettent aux concepteurs d’accéder à une transmission rapide des données, ainsi qu’à une grande adaptabilité. La couche application qui sera utilisée (HTTP, FTP, SSH, TLS/SSL, etc.) dépend uniquement du logiciel contrôlant le module.
Cryptage et sécurité
Étant donné que la communication sans fil peut être surveillée par des personnes non autorisées, les données envoyées doivent être sécurisées. Les méthodes de cryptage de l’information (principalement AES sont basées sur des opérations mathématiques complexes. Leur support logiciel à un niveau élevé serait inefficace (par exemple, il consommerait une partie importante de la puissance de calcul du microcontrôleur contrôlant l’appareil), donc les systèmes sont implémentés dans les modules de communication, dont le seul but est le cryptage et le décryptage des informations. Cela se traduit par une meilleure sécurité (car les clés de cryptage sont supportées par le matériel et sont invisibles pour le logiciel) et une communication plus rapide (les calculs nécessaires sont effectués par systèmes conçus spécifiquement à cette fin spécifique).
Interface
Les modules de communication utilisent différentes interfaces série pour assurer une communication efficace avec l’unité de contrôle. Ici, les normes les plus populaires utilisées dans les appareils électroniques sont utilisées (I2C, SPI etc.). Dans le cas de produits basés sur des microcontrôleurs pouvant fonctionner de manière autonome (contrôler le fonctionnement de l’ensemble de l’appareil), comme la série populaire ESP32, la spécification détermine non seulement les protocoles utilisés pour contrôler le module, mais également autres ports d’entrée/sorties pris en charge par le système donné. Il peut s’agir, par exemple, de bus USB, interfaces GPIO, et même de convertisseurs A/C. Il en va de même pour les modules prenant en charge la transmission audio sans fil : ici, les caractéristiques incluront la sortie du convertisseur C/A (vers l’amplificateur audio) ou le port I2S.
Antennes et sorties d’antenne
La plupart des modules ont des antennes intégrées réalisées sous la forme de composants SMD ou de chemins sur PCB. La communication à des fréquences de 2,4/5 GHz permet l’utilisation de radiateurs compacts. Néanmoins, les concepteurs choisissent souvent d’utiliser une antenne interne. Cela peut résulter de la nécessité d’augmenter la portée du module ou être dicté par des considérations de conception. Par exemple : un capteur IoT travaillant sur le terrain peut être placé dans un boîtier protégeant des ondes électromagnétiques – dans ce cas, la conception doit prendre en compte la possibilité de faire sortir l’antenne du corps.
Autres éléments de la spécification
La spécification de chaque module de communication comprend des informations clés sur son fonctionnement. Tout d’abord, elles décrivent des problèmes élémentaires (tension d’alimentation, dimensions, tolérance thermique, méthodes d’assemblage, boîtier), mais d’autres données doivent également être prises en compte lors de la sélection du module. Les caractéristiques importantes peuvent inclure la puissance de l’émetteur et la sensibilité du récepteur (exprimées en dBm, c’est-à-dire une échelle logarithmique décrivant la puissance en mW), ainsi que la vitesse de transmission (généralement elle ne correspond pas à la vitesse maximale indiquée dans une norme donnée). Lorsque l’on considère l’utilisation de modules autonomes équipés de microcontrôleurs programmables, il convient de garder à l’esprit l’architecture du système considéré, ainsi que la capacité de la mémoire intégrée et de la Flash : dans le cas d’appareils plus complexes, par exemple il peut s’avérer que ces paramètres limitent considérablement les possibilités de conception. Enfin : dans certaines applications un paramètre très important des modules de communication est leur consommation électrique. Ce sera le cas des circuits alimentés par des piles, des accumulateurs ou puisant de l’énergie à partir de sources renouvelables (par exemple une cellule photovoltaïque). Cette caractéristique est généralement donnée au format TX/RX, c’est-à-dire en comparant les valeurs du courant nécessaire pour (respectivement) : l’émission et la réception des données. Ce dernier nombre sera bien sûr plus petit – mais rappelez-vous que la communication Bluetooth et Wi-Fi est toujours bidirectionnelle.
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