Passerelles IoT: définition et utilisations dans l’IoT

Une passerelle IoT est un composant physique ou virtuel qui assure la liaison entre des capteurs, des machines, des compteurs ou des contrôleurs et des plateformes cloud ou d’autres systèmes centraux. Elle joue un rôle essentiel dans les déploiements IoT où des appareils hétérogènes, des équipements anciens et des réseaux locaux doivent fonctionner au sein d’une architecture unifiée. Elle permet à des systèmes qui resteraient autrement isolés de fournir des données pour la supervision, l’analyse et la prise de décisions opérationnelles.

Comment fonctionnent les passerelles IoT?

Une passerelle IoT se situe entre un réseau local d’appareils et un réseau amont. Elle gère les échanges de données entre les appareils connectés et les systèmes centraux. Elle reçoit les données via des interfaces industrielles ou des protocoles de communication sans fil, les traite selon sa configuration, puis les transmet à un serveur local ou à une plateforme cloud via une connexion Ethernet, Wi-Fi ou cellulaire.

Selon ses capacités matérielles et logicielles, une passerelle IoT peut assurer plusieurs fonctions:

Passerelles IoT et conversion des protocoles

Les passerelles IoT sont particulièrement utiles lorsque des équipements industriels, des systèmes anciens ou des capteurs basse consommation ne peuvent pas communiquer directement avec les applications cloud. Ces appareils utilisent souvent différents protocoles de communication, interfaces série ou technologies sans fil à courte portée. Une passerelle fournit un point d’intégration commun permettant de collecter, d’interpréter et de transmettre aux systèmes centraux les données issues d’appareils hétérogènes.

Selon son architecture, une passerelle peut prendre en charge différents protocoles et interfaces:

La conversion des protocoles peut nécessiter une mise en correspondance des registres ou des structures de données propres aux appareils avec des formats standardisés. Par exemple, une passerelle de bâtiment peut collecter les mesures de compteurs M-Bus et les données de fonctionnement de contrôleurs BACnet, normaliser certaines valeurs et les publier auprès d’un broker MQTT.

Cependant, toutes les passerelles n’effectuent pas de conversion au niveau de la couche application. Une passerelle LoRaWAN, par exemple, transmet généralement les paquets radio à un serveur réseau sans interpréter leurs charges utiles applicatives.

En intégrant différentes technologies de communication, les passerelles permettent de relier les équipements opérationnels existants aux systèmes informatiques modernes, sans que chaque appareil ait à prendre en charge une connexion directe au cloud. Elles constituent ainsi un élément important de la convergence IT/OT, notamment dans l’automatisation industrielle, la gestion des bâtiments et les infrastructures distribuées.

Traitement en périphérie et autonomie locale

Les passerelles IoT disposant de ressources de calcul suffisantes peuvent traiter les données localement au lieu de transmettre chaque mesure au cloud. Cette approche, appelée traitement en périphérie, réduit les transmissions de données inutiles, permet des opérations à faible latence et assure la continuité de certaines fonctions indépendamment de la connexion au cloud.

Selon leurs capacités de traitement, les passerelles peuvent effectuer plusieurs tâches:

• Filtrage et agrégation des données : supprimer les mesures redondantes, calculer des moyennes sur des intervalles de temps définis et réduire le volume de données transmises.

• Détection d’événements : comparer les données des capteurs à des seuils ou à des règles prédéfinis afin de repérer des conditions de fonctionnement anormales.

• Commande locale : déclencher des alertes ou des actions prédéfinies sans attendre de réponse du cloud.

• Analyse en périphérie : exécuter des modèles d’analyse légers ou, sur du matériel compatible, des tâches d’inférence d’IA pour détecter des schémas dans les données opérationnelles.

Les passerelles plus avancées peuvent exécuter des applications conteneurisées à l’aide de frameworks tels qu’Azure IoT Edge, afin de réaliser les tâches d’analyse et de traitement au plus près de la source des données. L’exécution locale peut se poursuivre pendant les interruptions du réseau, à condition que les applications et les interfaces des appareils nécessaires restent disponibles.

Applications des passerelles IoT

Automatisation industrielle et supervision des machines

Dans les environnements d’IoT industriel (IIoT), les passerelles connectent des équipements de production, des contrôleurs industriels et des systèmes de supervision qui ne prennent pas nécessairement en charge les communications directes avec le cloud. Elles collectent les données opérationnelles des automates programmables industriels (PLC), des compteurs et des capteurs, puis les mettent à disposition des systèmes de gestion de la production (MES), des plateformes de supervision ou des applications distantes.

Les applications industrielles courantes comprennent:

Par exemple, une passerelle connectée à plusieurs machines de production peut collecter leur état de fonctionnement, leur nombre de cycles et leurs mesures énergétiques, associer ces données à chaque équipement et les transmettre à un système centralisé de supervision via une connexion Ethernet ou cellulaire.

Dans cette architecture, les PLC existants continuent d’assurer les fonctions de commande des machines soumises à des contraintes temporelles strictes, tandis que la passerelle fournit une couche de communication de données distincte pour la supervision et l’analyse. Les équipements industriels peuvent ainsi être intégrés à des systèmes connectés sans que chaque machine ait besoin d’un accès direct à Internet.

Infrastructures isolées et réseaux de capteurs distribués

Dans les déploiements IoT isolés ou géographiquement répartis, les passerelles servent de points de collecte locaux pour les capteurs et les contrôleurs qui utilisent des technologies de communication à courte portée ou à faible consommation. Au lieu de disposer chacun d’une connexion cellulaire, plusieurs appareils peuvent communiquer par l’intermédiaire d’une passerelle qui fournit une liaison montante partagée vers une plateforme centrale.

Les applications courantes dans les infrastructures isolées comprennent:

L’emplacement de la passerelle, la couverture radio locale, la disponibilité de l’alimentation électrique et la connectivité en amont sont des paramètres essentiels de conception. Si une passerelle partagée réduit le besoin de connexions Internet individuelles, elle crée également un point de dépendance commun dont il faut tenir compte lors de la conception d’architectures IoT distribuées.

Connectivité des passerelles IoT

Les appareils locaux peuvent communiquer via des protocoles tels que Bluetooth Low Energy, Zigbee ou LoRaWAN, tandis que la passerelle utilise généralement une connexion Ethernet, Wi-Fi ou cellulaire pour transmettre les données au-delà du réseau local.

Une liaison de collecte cellulaire est particulièrement utile pour les infrastructures isolées, les actifs mobiles et les déploiements distribués dépourvus de connexion fixe fiable. Le choix de la technologie cellulaire dépend des besoins de la passerelle en matière de transmission de données. Le NB-IoT peut prendre en charge des transmissions intermittentes de faibles volumes de données, tandis que le LTE-M offre des débits plus élevés et prend en charge la mobilité. Les passerelles qui transmettent fréquemment des données de télémétrie, des charges utiles plus volumineuses ou des mises à jour du firmware à distance peuvent nécessiter une connectivité 4G LTE.

Les principaux facteurs techniques à prendre en compte sont les suivants:

Pour les déploiements cellulaires, le modem de la passerelle et la carte SIM doivent prendre en charge la technologie réseau retenue et utiliser une configuration adaptée du nom du point d’accès (APN) pour établir la connexion de données.

Le choix d’une architecture de collecte adaptée nécessite de trouver un équilibre entre le débit, la disponibilité du réseau, la consommation électrique et les besoins de connectivité à long terme.

Comment 1NCE accompagne les déploiements de gateways IoT

Les projets de passerelles IoT impliquent souvent de nombreux sites, différents types d’appareils et de longues périodes d’exploitation. Une fois installée, une passerelle doit rester connectée et continuer à transmettre des données avec un minimum d’interventions manuelles.

1NCE fournit des logiciels IoT et de la connectivité pour les produits connectés dans 170+ pays. Sa plateforme prend en charge plus de 40 millions de produits connectés et accompagne plus de 30.000 clients dans différents secteurs.

Pour les déploiements reposant sur des passerelles, 1NCE peut prendre en charge la couche de connectivité cellulaire qui permet aux passerelles de transmettre les données du terrain vers les plateformes cloud ou les applications.

Cette approche peut notamment répondre aux besoins de la supervision industrielle, du comptage intelligent, des infrastructures énergétiques, de l’agriculture, des systèmes des bâtiments, de la logistique, du stationnement intelligent, de la surveillance environnementale et d’autres cas d’usage IoT distribués.

Le bénéfice est avant tout opérationnel. Les entreprises peuvent connecter leurs passerelles, superviser la connectivité et gérer leurs déploiements dans plusieurs régions depuis une plateforme unique.

1NCE OS comprend également des fonctionnalités telles qu’Energy Saver, qui contribue à optimiser l’utilisation de la batterie selon le cas d’usage, et Whereabouts, qui permet de déterminer la position d’un appareil à partir des antennes-relais du réseau mobile, sans matériel GPS dédié.

Pour les passerelles déployées sur des sites isolés ou géographiquement répartis, ces fonctionnalités peuvent contribuer à prolonger la durée de vie des appareils, à réduire les besoins de maintenance et à améliorer la visibilité sur les opérations.

Choisir une architecture de passerelle IoT adaptée

Le choix d’une architecture de passerelle IoT dépend des besoins de communication des appareils, de la topologie du réseau, des capacités de traitement et des conditions de déploiement. Tous les systèmes IoT ne nécessitent pas de passerelle : les appareils dotés d’une connectivité IP intégrée peuvent communiquer directement avec les plateformes cloud, tandis que les architectures reposant sur des passerelles sont utiles lorsque plusieurs appareils terminaux utilisent des interfaces anciennes, des protocoles non IP ou des connexions réseau partagées.

Lors de la conception d’un système reposant sur des passerelles, plusieurs facteurs techniques doivent être évalués:

Les exigences d’architecture varient également selon le déploiement. Une passerelle industrielle peut connecter plusieurs machines via un réseau opérationnel local, tandis qu’une installation de surveillance à distance peut nécessiter plusieurs passerelles réparties sur différents sites, chacune disposant de sa propre connexion en amont.

La capacité des passerelles, la compatibilité matérielle et les éventuels points uniques de défaillance doivent donc être évalués dans le cadre de l’architecture globale de la pile IoT, afin de s’assurer que le système pourra répondre aux futurs besoins d’extension et de maintenance.