Tester les protocoles IoT pour les bâtiments et compteurs d’eau?-Shayp

Loi Warsmann : La compensation des pertes en eau pour les particuliers

Or Bleu : Comment lutter contre les pénuries d’eau ?

23.02.2022

Peux-tu nous parler de ton rôle à Shayp ?

Je suis le CTO de Shayp, je suis responsable du design, du développement et de l’installation de la solution de Shayp. J’intègre les hardware et software à la stratégie commerciale.

Un protocole IoT, qu’est-ce que c’est ?

Un protocole IoT détermine la manière dont un appareil transmet des données à un ordinateur, au cloud ou à un autre appareil. J’en ai testé plusieurs dans la phase initiale du développement de Shayp et durant mon dernier emploi. Sigfox, LoRa, Zigbee, NB-IoT, BLE (Bluetooth low energy ou Bluetooth à basse consommation)… : le premier prototype de Shayp était un Arduino* qui transmettait des données via ZigBee* au Raspberry Pi* servant de gateway*. Nous avons passé en revue plusieurs options, mais Zigbee semblait avoir une bonne pénétration dans les bâtiments tout en ayant une faible consommation d’énergie avec un gateway.

Quel protocole IoT utilisez-vous à Shayp et comment fonctionne-t-il ?

Aujourd’hui, nous n’utilisons que Narrowband IoT (NB-IoT). Fonctionnant sur l’ancien réseau GSM*, il s’agit d’un protocole de communication créé pour les appareils en mouvement qui envoient directement des données à un réseau puis les transmettent à Shayp. À nos débuts, il n’était encore qu’un sujet de conversation et il n’était pas encore possible de le tester.

Quels critères techniques devais-tu respecter pour développer la solution de Shayp et pour quelle raison ?

Notre objectif principal : un outil facile à installer. Il n’est pas aisé de créer un appareil qui fonctionne dans un lieu sans réseau, soit non invasif et qui s’installe facilement sur les compteurs. Toutes ces caractéristiques font qu’il s’adapte à 90 % des compteurs d’eau. C’est une chose d’avoir des compteurs d’eau classiques dans les sous-sols où la température est toujours la même, où il n’y a pas d’humidité, etc. Mais dans certains endroits, le compteur d’eau est placé à l’extérieur, où il peut faire 20 degrés comme -20 degrés. Le compteur peut également se trouver sous l’eau, dans les souterrains… ce qui constitue un défi sur le plan électronique.

Comment Sigfox, LoRa et NB-IoT diffèrent-ils ?

Au début, il y avait deux réseaux pouvant répondre à nos besoins : Sigfox et LoRa. À l’époque, nous avions opté pour Sigfox. Sigfox permettait de ne pas devoir se préoccuper des antennes. LoRa, quant à lui, n’était pas développé en Belgique. Il fallait également prendre en compte l’aspect commercial comme LoRa en Belgique était géré par un fournisseur de réseau mobile nommé Proximus et que Sigfox était une société à part entière.

Désormais, nous utilisons le protocole NB-IoT parce qu’il a une excellente couverture intérieure. Pour nous, ce réseau était mieux que Sigfox. Le NB-IoT (512 octets) permet de transmettre plus de données en un message que Sigfox (12 octets) et le NB-IoT consomme moins d’énergie par rapport à notre utilisation. Avec le protocole Sigfox, il fallait envoyer le message trois fois pour s’assurer qu’il arrive à bonne destination alors qu’avec le NB-IoT, on n’envoie le message qu’une seule fois.

Comment gérez-vous les données ?

Les données sont envoyées à notre serveur via le protocole UDP* (user datagram protocol ou protocole datagramme utilisateur) puis enregistrées dans notre base de données.

QUESTIONS TECHNIQUES : TYPES ET SÉLECTION

Quel standard de communication dédié aux dispositifs IoT est le plus adapté aux compteurs d’eau ?

La plupart des compteurs d’eau se trouvent dans les sous-sols ou dans les endroits où la connexion sans fil est difficile, mais, grâce au NB-IoT, nous n’avons pas ce genre de problèmes, même dans les conditions extrêmes, ce qui permet un déploiement plus large et versatile.

Quelles sont les différentes catégories de protocoles IoT ?

Si je devais les classer, la première question que je me poserais est : fonctionnent-ils par batterie ou doivent-ils être branchés ? Dans le premier cas, il faut un protocole à basse consommation énergétique alors que dans le second cas, je ne dois pas me soucier de l’énergie puisque je peux le brancher. Ensuite je me demanderais : que dois-je envoyer ? Combien de fois par jour ? Quel est le volume du message ? Par exemple, si je sais que je vais devoir envoyer des messages volumineux, je ne vais pas utiliser Sigfox parce qu’il n’a que 12 octets. Enfin, je me demanderais s’il est disponible dans ma location. Le protocole NB-IoT par exemple n’est pas disponible partout même s’il s’étend rapidement.

Quel protocole est le plus adapté aux compteurs intelligents et pourquoi ?

Je recommanderais le protocole NB-IoT parce qu’il a une excellente couverture intérieure. Il ne nécessite pas l’installation d’antennes. Il suffit de sélectionner un bon fournisseur télécom et ils se chargeront des antennes installées dehors. Si vous êtes une société des eaux, votre mission première est de fournir de l’eau, pas de vous préoccuper des réseaux sans fil, des stations de base, des pertes de données ou des bugs dans le système. Certaines entreprises des eaux effectuent une analyse des coûts, mais sous-estiment l’ampleur des problèmes pouvant se produire. Nous estimons qu’environ 20 % des compteurs d’eau n’envoient pas de données.

Le protocole NB-IoT permet non seulement une longue durée de vie, mais aussi de fournir une gamme plus large de services aux clients. Avec les autres technologies, on peut envoyer un message par jour dans le meilleur des cas, mais tu ne peux pas offrir beaucoup d’informations avec un message par jour ou par semaine. À Shayp, nous maximisons les bénéfices du client. Nous commençons à voir que de plus en plus d’entreprises des eaux réalisent que les compteurs intelligents ne leur permettent pas que d’économiser du temps et de l’argent.

Le NB-IoT fournit des données très précises à haute résolution pour que la société des eaux puisse améliorer les services destinés à l’utilisateur final. À Shayp, nous croyons que c’est bien plus bénéfique au grand public que, par exemple, couper l’eau quand quelqu’un a oublié de payer sa facture.

Est-ce que c’est moins cher d’installer ses propres antennes ?

Je n’ai pas fait le calcul, mais les sociétés sont trop optimistes à mon avis. Pour elles, la question est toujours d’acheter ou de créer, et les ingénieurs ont tendance à privilégier la seconde option vue que c’est ce que nous aimons faire. Dans ce cas, vous aurez besoin d’un spécialiste des réseaux sans fil parce que vous ne pourrez pas installer les antennes n’importe où. Je ne comprends pas pourquoi on choisirait cette option alors que l’infrastructure réseau existe déjà. En plus, ça contribue à la pollution : création de nouveaux matériaux, transport, etc. Il existe de nombreuses entreprises comme Sigfox, LoRa, T-Mobile et Orange dont le but principal est de gérer les infrastructures. Je préfèrerais travailler avec elles pour me concentrer sur ma propre compagnie, après avoir négocié un contrat équitable pour les deux parties. Si vous avez un problème, vous devez payer pour le réparer donc je ne pense pas que ça revienne à moins en fin de compte. Vous aurez besoin de personnel qu’il faudra payer pour entretenir ce réseau.

Quels sont les avantages et inconvénients d’un réseau filaire par rapport à un réseau sans fil ?

S’il l’argent n’était pas un problème, j’opterais toujours pour les solutions filaires de qualité supérieure : transmission illimitée de données et débit de données illimité sans devoir se soucier de la consommation de la batterie. Les inconvénients de cette option résident leur prix, voire dans leur faisabilité. Nous avons réussi à réduire les coûts d’installation d’un facteur de 20 par rapport à certaines solutions filaires tout en conservant leurs avantages principaux. Le plus difficile est de trouver le compteur d’eau et de s’assurer que le client avait accès au sous-sol.

Comment Shayp a-t-elle relevé les défis liés aux objets connectés sans fil ?

Notre naïveté nous y a aidés. Nous nous sommes dit qu’on allait créer une batterie de 10 ans avec une fréquence de transmission maximale sans jamais croire que c’était impossible. Nous avons trouvé le moyen de compresser les données dans un nombre de paquets de données par des algorithmes en gardant un bon équilibre. Au début, avec Sigfox, nous utilisions des algorithmes qui produisaient plus de données avec une taille réduite, en les compressant. Ça peut paraître simple, mais c’est loin d’être le cas en réalité.

Quels sont les avantages des protocoles à longue portée et à courte portée et comment choisit-on ?

Au début, nous envisagions d’utiliser un capteur fonctionnant avec un protocole à courte portée qui transmettrait des données à un gateway, qui à son tour les enverrait sur le cloud via WiFi ou 3G. Mais comme on intégrait déjà une antenne au capteur, nous nous sommes dit, pourquoi ne pas faire en sorte que l’antenne envoie les informations directement au cloud ? Ça réduisait considérablement la facture des matériaux.

Quels étaient les objectifs les plus difficiles à atteindre ?

Le développement du hardware est pénible. À la moindre erreur, il faut rappeler tous les appareils. Crois-moi, chaque erreur ou bug qui peut arriver arrivera. Si l’appareil qui répond à tes critères existe déjà sur le marché, fonce ! À Shayp, nous avons défini des critères très précis, mais il nous a fallu trois ans pour développer un produit fini commercialisable.

Quels étaient les besoins du marché ?

Après avoir passé en revue les différentes solutions de monitoring destinées aux compteurs d’eau disponibles sur le marché, nous avons réalisé qu’ils étaient assez invasifs et coûteux (certains d’entre eux nécessitent un câble Ethernet, un câblage…) et ils ne fonctionnaient pas sur batterie et avaient donc besoin d’être relié à une prise.

En plus, les solutions filaires ne semblaient pas complètement fiables parce que les données n’étaient pas transmises au-delà des murs (en particulier dans les bâtiments commerciaux ou multirésidentiels). Et quand on utilise une solution filaire pour les compteurs d’eau, le niveau de difficulté augmente vu qu’ils se trouvent dans les sous-sols, sous les rues ou sous des plaques métalliques à l’extérieur, rendant ces solutions encore moins fiables. Le défi que nous devions relever à Shayp était de créer une solution non invasive et peu coûteuse pour équiper les compteurs d’eau des bâtiments et transmettre des données).

D’un point de vue technique, notre défi était de construire quelque chose qui soit facile à déployer, qui fonctionne entièrement sur batterie et qui ait une durée de vie supérieure à 10 ans parce que les gestionnaires d’immeubles ne veulent pas avoir à installer quelque chose tous les ans parce qu’ils gèrent parfois des dizaines de centaines de bâtiments à la fois, ce qui signifie qu’il faut changer dix cents batteries par an et ce n’est pas possible.

Notre outil devait également pouvoir envoyer des données avec une résolution suffisamment élevée sans être branché afin que nous puissions exécuter des algorithmes de détection de fuites beaucoup plus fiables.

Pourquoi était-il important d’avoir une batterie avec une longue durée de vie, pourquoi ne pas la recharger ?

Dans notre cas, la plupart de nos clients sont responsables de plusieurs bâtiments et changer de batterie tous les ans serait très coûteux. Changer de batterie implique d’envoyer quelqu’un, prendre l’appareil, le charger, le renvoyer, le connecter. Tu perds du temps et de l’argent. Pour les gestionnaires de bâtiments, la durée de vie des bâtiments ne se mesure pas en années, mais en décennies. L’investissement réalisé est généralement d’au moins dix ans et c’est pourquoi les clients préfèrent qu’il soit durable afin de ne pas devoir y penser pendant dix ans.

Pourquoi a-t-on besoin de données à haute résolution ? À quoi servent-elles ?

Il n’existe pas de solution qui combine un tel niveau de résolution des données avec une batterie d’une telle durée de vie. Mais ce niveau de résolution est nécessaire, car il nous permet de vous dire très précisément si vous avez un problème, sa cause probable, son coût et quand et si le problème a été correctement résolu.

Nous sommes capables d’utiliser la technologie non invasive de mesure de consommation (NILM) à la consommation d’eau, ce qui nous permet non seulement de détecter les fuites, mais aussi les anomalies de consommation comme une pompe ou un réservoir d’eau défectueux.

GLOSSAIRE

Arduino → Arduino est une plateforme électronique basée sur un matériel et logiciel facile à utiliser. Les cartes Arduino peuvent lire les entrées et les transformer en résultats. Vous pouvez diriger votre carte en envoyant un ensemble d’instructions au microcontrôleur de la carte.
ZigBee → Zigbee est un protocole utilisé pour connecter des appareils intelligents tels que des lampes, des prises et des serrures intelligentes à un réseau domestique. Zigbee est un protocole à faible consommation d’énergie qui ne transmet des données que sur demande.
Raspberry Pi → Un nano-ordinateur bon marché à peine plus grand qu’une carte de crédit qui se branche sur un écran d’ordinateur ou un téléviseur, et utilise un clavier et une souris standard. C’est un petit appareil qui permet à des personnes de tout âge d’explorer l’informatique et d’apprendre la programmation.
Gateway → Un gateway est un dispositif au sein d’un réseau de communication qui vous permet d’accéder à un autre réseau sans avoir besoin d’un autre intermédiaire. Elle connecte deux réseaux ayant des protocoles et des architectures différents. Son objectif principal est de transposer les informations du protocole d’un réseau à un autre.
GSM → Le Global System for Mobile Communication est un standard numérique de seconde génération (2G). Le GSM représente la transition de télécommunications analogues à digitales.
UDP → Le protocole de datagramme utilisateur est un protocole de communications qui facilite l’échange de messages entre les dispositifs informatiques d’un réseau.

RÉFÉRENCES

Tester les protocoles IoT pour les bâtiments et compteurs d’eau ?