Un appareil IoT ne sert à rien tant qu’il est seul. Sa valeur apparaît au moment où sa mesure arrive quelque part : sur un écran, dans une base de données, dans une alerte. Faire de l’IoT se ramène donc très vite à une question de liaison, et il existe des dizaines de technologies pour l’établir. Une bonne partie du bruit autour du sujet vient de ce qu’on les compare deux par deux sans les avoir d’abord classées. Comparer le Bluetooth au LoRaWAN n’a pas plus de sens que comparer un vélo à un camion. Ils ne font pas le même métier.
Ces technologies se rangent en quatre types de réseaux : les réseaux personnels, les réseaux locaux, les réseaux cellulaires et les réseaux étendus à faible consommation. Chacun répond à un compromis différent entre trois grandeurs qui ne peuvent pas être maximisées ensemble : la distance, le débit et la consommation d’énergie.
Les quatre questions qui décident du type de réseau
Avant de nommer une technologie, je pose quatre questions au client, et l’ordre compte.
Y a-t-il déjà un réseau Ethernet câblé sur le site ? C’est la première, et elle tranche vite. S’il n’y en a pas, et si l’installer s’annonce compliqué, on part d’office sur une solution sans fil. Inutile de discuter des mérites du filaire dans un bâtiment où tirer un câble suppose de percer des murs porteurs et d’arrêter une ligne de production.
Quelle distance sépare le point de mesure du reste de l’installation ? Un capteur posé sur une machine à quinze mètres de l’armoire ne pose pas le même problème qu’un compteur d’eau enterré à quatre cents mètres du bâtiment.
Quelle quantité de données doit remonter, et à quelle cadence ? Un index de compteur toutes les dix minutes, ce sont quelques octets. Un flux vidéo, c’est un autre monde.
Y a-t-il du courant à l’endroit du device ? C’est la question qui élimine le plus d’options, et celle qu’on oublie le plus souvent en réunion. Tirer le 230 V jusqu’à un point de mesure coûte souvent plus cher que le device lui-même.
Une fois ces quatre réponses posées, le type de réseau se déduit presque mécaniquement. Choisir la technologie à l’intérieur de ce type vient après, et c’est beaucoup plus simple.
PAN, les réseaux personnels
Le PAN, pour Personal Area Network, couvre de quelques mètres à quelques dizaines de mètres. On y trouve le Bluetooth Low Energy, très économe et présent partout dans les objets grand public, ainsi que le Zigbee et le Z-Wave, technologies de la domotique et de l’éclairage intelligent. Thread, plus récent, s’appuie sur IPv6 et s’intègre mieux aux réseaux IP existants.
Le Zigbee et le Thread savent former un maillage : chaque nœud relaie les messages de ses voisins, ce qui étend la couverture sans ajouter d’infrastructure. Sur le papier, c’est séduisant pour un atelier. Mais un maillage n’est fiable que s’il est dense, ce qui suppose des nœuds nombreux et alimentés. Dans un hall où les points de mesure sont dispersés, la fiabilité du réseau n’est pas assurée.
LAN, les réseaux locaux
C’est le type de réseau du WiFi et de l’Ethernet, celui que tout le monde connaît, et c’est le réflexe par défaut quand on parle de connecter quelque chose. Le WiFi offre un débit confortable et une portée de quelques dizaines de mètres en intérieur. L’Ethernet reste la référence en fiabilité industrielle, avec un câble qui apporte la donnée et, en PoE, l’alimentation du même coup.
Le WiFi a trois contraintes qui apparaissent seulement une fois sur site. La première est énergétique : un module WiFi consomme trop pour tenir des années sur une batterie, il faut donc amener le courant à chaque point de mesure. Le PoE change la forme du problème sans le supprimer, puisque l’énergie passe alors par le câble réseau plutôt que par une prise : c’est un vrai confort quand on câble de toute façon, mais il faut toujours tirer quelque chose jusqu’au device. La deuxième contrainte est physique : le béton armé, les cloisons métalliques et les machines absorbent le signal, et la portée annoncée fond dans un hall réel. La troisième relève de la cybersécurité, et c’est la plus lourde. Brancher des devices sur le réseau du client, c’est ouvrir une porte de plus dans son système d’information, et autant de portes que d’équipements ajoutés. Chacune est une surface d’attaque à maintenir, à mettre à jour et à surveiller. Le responsable informatique qui freine n’a pas tort, c’est lui qui portera l’incident.
L’Ethernet échappe à la deuxième contrainte, pas aux deux autres : il faut toujours amener un câble jusqu’à chaque point de mesure, et chaque équipement raccordé reste un équipement de plus sur le réseau du client. S’y ajoute le coût de tirage, qui se compte en mètres de chemin de câble et en interventions dans des zones où l’arrêt de production n’est pas négociable.
Et quand on m’objecte que le site a déjà du WiFi partout, ma réponse tient en une phrase : le WiFi n’est pas un réseau IoT. Il a été conçu pour connecter des ordinateurs et des téléphones alimentés, pas des capteurs sur batterie dispersés dans un hall. Pour cet usage précis il existe des réseaux dédiés, dont le LoRaWAN, et c’est exactement pour ça qu’ils ont été créés.
Les réseaux cellulaires
La 4G et la 5G apportent du débit et une latence faible, sans infrastructure à déployer puisque la couverture existe déjà. C’est le domaine de la vidéosurveillance, des véhicules connectés et des applications qui doivent réagir en quelques millisecondes.
La contrepartie est double : un abonnement par carte SIM, donc un coût récurrent qui croît avec le nombre de points de mesure, et une dépendance à la couverture d’un opérateur. Cette couverture est bonne dehors, souvent médiocre dans un sous-sol technique ou au fond d’un hall métallique, et vous n’avez aucun levier pour l’améliorer.
LPWAN, le réseau qui se définit par ce qu’il refuse
LPWAN est l’acronyme de Low Power Wide Area Network, réseau étendu à faible puissance. C’est le seul type de réseau conçu spécifiquement pour l’IoT, et le seul qui accepte explicitement de renoncer à quelque chose.
Il renonce au débit. Un LPWAN transporte de petits messages, de quelques octets à quelques dizaines, à intervalles réguliers. En échange, il obtient deux choses qu’aucun autre type de réseau ne donne ensemble : une portée qui se compte en kilomètres en extérieur dégagé, et des devices qui tiennent des années sur une batterie. Tous ne sont pas sur batterie pour autant : un device qui commande un relais ou une électrovanne est alimenté en 230 V, souvent via un transformateur dans le coffret. La batterie est un choix rendu possible par le LPWAN, pas une obligation.
Ce renoncement n’est pas une faiblesse à compenser, c’est le mécanisme même qui produit la portée et l’autonomie. Un signal étalé sur une longue durée avec peu d’information s’extrait bien plus facilement du bruit qu’un signal rapide et dense. C’est ce qui permet d’extraire un message dont la puissance reçue est plus faible que le bruit ambiant, avec un émetteur dont la puissance se compte en dizaines de milliwatts.
Ces kilomètres demandent une nuance, et c’est le point sur lequel je corrige le plus souvent les attentes. Ils sont annoncés en champ libre, et un site industriel n’a rien d’un champ libre. Entre le bardage, les structures métalliques et les machines, la portée utile tombe bien plus vite que les chiffres du commerce ne le laissent croire. Nous ne dimensionnons donc jamais à l’échelle du kilomètre mais à l’échelle du site : suivant l’application, une gateway sur le site, ou une par atelier de production. Les records de plusieurs centaines de kilomètres obtenus en ballon ou depuis un bateau sont réels, ils ne disent rien de ce qui se passe dans une usine.
À l’intérieur de cette catégorie, la ligne de partage qui compte n’est pas technique, elle est contractuelle : la gateway vous appartient-elle, ou passez-vous par l’infrastructure d’un opérateur ?
Sans gateway, on trouve le Sigfox et les technologies cellulaires basse consommation, NB-IoT et LTE-M. Elles s’appuient sur le réseau d’un opérateur, ce qui supprime le matériel à installer, et introduit en échange un abonnement par device, un nombre de messages par jour plafonné par le forfait, et la dépendance de couverture de la 4G.
Avec gateway, on trouve le LoRaWAN en réseau privé. Vous installez la station de base, vous en êtes propriétaire, et vous décidez de tout ce qui passe dessus. C’est ce que nous pratiquons chez Finemeca sur l’ensemble de nos déploiements.
Un point à connaître avant de dimensionner quoi que ce soit : la bande 868 MHz utilisée en Europe est libre d’usage, mais soumise à un temps d’occupation maximal du canal, le duty cycle, fixé à 1 %. Un émetteur ne peut donc pas parler plus de 1 % du temps. Ce n’est pas un détail réglementaire, c’est ce qui met le temps réel hors de portée d’un LPWAN et ce qui plafonne le nombre de messages quotidiens d’un device.
Où se situe le LoRaWAN
Selon la source qu’on consulte, le LoRaWAN n’est pas rangé au même endroit. C’est un LPWAN, personne ne le conteste. Mais quand la gateway est installée chez le client, il se comporte aussi comme un réseau local, et mon support de cours le mentionne dans les deux catégories.
C’est aussi ce qui change la conversation avec le service informatique du client, et je reviens ici sur la contrainte de sécurité évoquée plus haut. Nous n’entrons jamais dans le réseau de l’entreprise. Le seul équipement à raccorder est la gateway, et tout ce dont elle a besoin est un accès internet sortant. Selon les sites, elle passe par un VLAN dédié sans aucune ouverture de port, ou par une simple connexion 4G qui la rend complètement indépendante du réseau du client. Aucun device sur son LAN, une seule liaison à valider, et la discussion avec son informaticien dure dix minutes au lieu de trois réunions.
Cette ambiguïté n’est pas un défaut de classement, c’est le point intéressant. Le LoRaWAN privé prend les propriétés physiques du LPWAN, la portée et l’autonomie, et le régime d’exploitation du LAN, une infrastructure qui vous appartient et sur laquelle personne d’autre n’a de droit. Cela veut dire pas d’abonnement par device, pas de plafond de messages imposé par un opérateur, et des données qui vont directement de votre gateway à votre serveur sans transiter par la plateforme d’un tiers. Le détail de cette architecture est décrit sur notre page réseau LoRaWAN et sur celle de la plateforme.
Ce qu’aucun de ces réseaux ne fera
Un LPWAN ne transportera jamais une image, ni un flux de vibration à haute fréquence, ni une commande qui doit aboutir en une seconde. Aucun réglage ne rattrapera ça, la limite est dans la nature même de la technologie.
La bonne réponse n’est alors pas de changer de réseau, c’est de déplacer le traitement. Une caméra qui analyse l’image sur place et ne remonte qu’un comptage ou une anomalie, associée à un device LoRaWAN, résout le problème sans exiger le débit. L’information utile se réduit à quelques octets, et redevient compatible avec le réseau qui vous convenait au départ.
Ce qui tranche vraiment, c’est le relevé sur site
Tout ce qui précède permet d’arriver sur un site avec une hypothèse sérieuse. Ça ne remplace pas la vérification. Un bardage qui se comporte en cage de Faraday, une machine qui rayonne dans la bande utilisée, une armoire métallique qui enferme le device : rien de tout ça ne se lit sur une fiche technique.
C’est pour cette raison qu’aucune gateway ne se pose sans étude de couverture préalable. Notre Pack Activation inclut un device de test LoRaWAN prévu pour ça : il se promène dans les zones où les points de mesure sont envisagés et relève la qualité de liaison réellement obtenue. Selon le site et les habitudes du client, le relevé se fait avec nous ou en autonomie, l’important est qu’il ait lieu avant l’installation et non après la mise en service. C’est lui qui confirme ou corrige le choix fait sur le papier. Il arrive qu’il impose une deuxième gateway, ou qu’il déplace un point de mesure de trois mètres.
La question n’est donc pas quelle technologie est la meilleure, mais quelle quantité d’information doit franchir quelle distance, et ce que le site accepte de laisser passer. Ce panorama fait partie des concepts abordés dans les formations IoT que nous animons.