Réseaux et objets connectés
L'Internet des Objets (IoT) transforme les systèmes industriels et du quotidien en interconnectant capteurs, actionneurs et plateformes cloud. Comprendre les protocoles de communication, l'architecture réseau et les contraintes de transmission est indispensable à l'ingénieur moderne.
Objectifs
- Décrire l'architecture d'un système IoT et identifier le rôle de chaque couche
- Comparer les protocoles de communication sans fil selon leurs critères (portée, débit, consommation)
- Analyser la chaîne de transmission d'une donnée capteur jusqu'à l'application cloud
Architecture d'un système IoT
Un système IoT comprend trois couches principales : la couche Perception (capteurs, actionneurs, microcontrôleurs comme Arduino ou STM32 qui acquièrent des grandeurs physiques), la couche Réseau (protocoles de communication qui transportent les données : Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee, LoRa, NB-IoT, 4G/5G), et la couche Application (serveurs, bases de données, plateformes cloud comme AWS IoT, Azure IoT Hub, Node-RED). Un gateway (passerelle) assure souvent la traduction de protocole entre couche perception (Zigbee, LoRa) et couche réseau IP (Internet).
Protocoles de communication comparés
Wi-Fi (IEEE 802.11) : haut débit (jusqu'à 1 Gbit/s en Wi-Fi 6), portée ~50 m, consommation élevée — adapté aux appareils alimentés. Bluetooth Low Energy (BLE) : faible consommation, portée ~10 m, débit moyen — capteurs portables, wearables. Zigbee (IEEE 802.15.4) : très faible conso, maillage possible, portée ~100 m — domotique, smart building. LoRaWAN : très longue portée (2–15 km), débit très faible (250 bit/s à 5 kbit/s), consommation minime — IoT rural, compteurs, agriculture. NB-IoT (Narrowband IoT) : réseau cellulaire, longue portée, pénétration bâtiment, faible débit — compteurs d'eau/gaz connectés. Le choix dépend du triangle portée/débit/consommation selon l'application.
Protocoles applicatifs et sécurité
Au-dessus des protocoles réseau, on trouve des protocoles applicatifs : MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) — protocole publish/subscribe très léger idéal pour l'IoT, faible bande passante, TCP/IP ; HTTP/REST — standard web, plus lourd mais universel ; CoAP — version légère d'HTTP pour réseaux contraints. La sécurité IoT repose sur le chiffrement TLS/SSL, l'authentification par certificats ou tokens JWT, et la segmentation réseau (VLAN) pour isoler les objets connectés. La surface d'attaque étant grande (millions d'appareils), la mise à jour firmware OTA (Over The Air) est critique.
Capteurs et traitement du signal
Un capteur IoT convertit une grandeur physique (température, pression, mouvement, luminosité) en signal électrique. La chaîne d'acquisition comprend : capteur → conditionnement (amplification, filtrage) → conversion analogique-numérique (ADC, résolution en bits) → traitement numérique → transmission. Le théorème de Shannon impose une fréquence d'échantillonnage fe ≥ 2×fmax pour reconstruire fidèlement un signal. Sur les plateformes cloud, le traitement peut inclure de l'edge computing (traitement local sur gateway pour réduire la bande passante et la latence) avant remontée vers le cloud.
Relations et formules clés
fe ≥ 2 × fmaxfe est la fréquence d'échantillonnage (Hz), fmax la fréquence maximale du signal à numériser (Hz). En dessous de cette limite, le signal est aliasé (déformé) et la reconstruction fidèle est impossible.
D = fe × nD est le débit en bits/s, fe la fréquence d'échantillonnage en Hz, n le nombre de bits par échantillon (résolution ADC). Exemple : audio 44 100 Hz × 16 bits = 705 600 bit/s ≈ 706 kbit/s.
t = Taille_paquet (bits) / Débit (bit/s)Donne le temps théorique de transmission. En LoRa à 1 kbit/s, envoyer 100 octets (800 bits) prend 0,8 s. Ce calcul guide le dimensionnement des intervalles d'envoi en IoT basse consommation.
Exercice d'application
Question : Un capteur de température IoT mesure un signal dont la fréquence maximale est 10 Hz. La résolution ADC est de 12 bits. Calculer la fréquence d'échantillonnage minimale et le débit binaire généré. Quel protocole conseilleriez-vous pour transmettre ces données sur 5 km avec une batterie de petite capacité ?
Voir la solution
Réponse : Fréquence minimale d'échantillonnage : fe ≥ 2 × 10 = 20 Hz (critère de Shannon). Débit binaire : D = 20 × 12 = 240 bit/s. Protocole conseillé : LoRaWAN — portée 2 à 15 km, débit suffisant pour 240 bit/s, consommation très faible (quelques mA en émission, µA en veille) compatible batterie longue durée. Wi-Fi et BLE sont exclus (portée insuffisante) ; NB-IoT serait une alternative mais plus coûteux en abonnement.
