Les villes intelligentes interconnectées sont porteuses de beaux rêves. Dans ces villes, les technologies numériques tissent des liens entre de multiples fonctions civiques uniques pour améliorer l'efficacité opérationnelle et l'intelligence. On estime que d'ici 2050, 70 % de la population mondiale vivra dans des villes intelligentes, où la vie sera saine, heureuse et sûre. Point crucial, ces villes promettent d'être vertes, dernier atout de l'humanité contre la destruction de la planète.
Mais les villes intelligentes demandent beaucoup de travail. Les nouvelles technologies sont coûteuses, les collectivités locales sont contraintes et la politique évolue vers des cycles électoraux courts, ce qui complique la mise en place d'un modèle de déploiement technologique centralisé, hautement opérationnel et financièrement efficace, réutilisable dans les zones urbaines, à l'échelle mondiale ou nationale. En réalité, la plupart des villes intelligentes phares qui font la une des journaux ne sont en réalité qu'un ensemble d'expérimentations technologiques et de projets régionaux annexes, sans réelle perspective d'expansion.
Prenons l'exemple des bennes à ordures et des parkings, équipés de capteurs et d'analyses intelligents. Dans ce contexte, le retour sur investissement (ROI) est difficile à calculer et à normaliser, surtout lorsque les agences gouvernementales sont si fragmentées (entre agences publiques et services privés, ainsi qu'entre villes, régions et pays). Prenons l'exemple de la surveillance de la qualité de l'air. Comment est-il facile de calculer l'impact d'un air pur sur les services de santé en ville ? Logiquement, les villes intelligentes sont difficiles à mettre en œuvre, mais aussi difficiles à nier.
Il y a cependant une lueur d'espoir dans le brouillard du changement numérique. L'éclairage public, présent dans tous les services municipaux, offre aux villes une plateforme leur permettant d'acquérir des fonctions intelligentes et de combiner pour la première fois de multiples applications. Prenons l'exemple des divers projets d'éclairage public intelligent mis en œuvre à San Diego, aux États-Unis, et à Copenhague, au Danemark : leur nombre ne cesse de croître. Ces projets associent des réseaux de capteurs à des unités matérielles modulaires fixées aux lampadaires pour permettre le contrôle à distance de l'éclairage et d'autres fonctions, telles que les compteurs de trafic, les moniteurs de qualité de l'air et même les détecteurs d'armes à feu.
Du haut des lampadaires, les villes ont commencé à s'intéresser à la « vivabilité » de la ville, notamment à la fluidité du trafic et à la mobilité, au bruit et à la pollution atmosphérique, ainsi qu'aux nouvelles opportunités commerciales. Même les capteurs de stationnement, traditionnellement encastrés dans les parkings, peuvent être connectés à l'infrastructure d'éclairage de manière économique et efficace. Des villes entières peuvent être soudainement connectées et optimisées sans creuser de rues, louer d'espaces ou résoudre des problèmes informatiques abstraits liés à une vie plus saine et à des rues plus sûres.
Cela fonctionne parce que, la plupart du temps, les solutions d'éclairage intelligent ne sont pas initialement conçues en fonction des économies qu'elles engendrent. La viabilité de la révolution numérique urbaine est plutôt une conséquence fortuite du développement simultané de l'éclairage.
Les économies d’énergie réalisées grâce au remplacement des ampoules à incandescence par des éclairages LED à semi-conducteurs, ainsi que les alimentations électriques facilement disponibles et une infrastructure d’éclairage étendue, rendent les villes intelligentes réalisables.
Le rythme de conversion aux LED stagne déjà, tandis que l'éclairage intelligent est en plein essor. Selon Northeast Group, analyste en infrastructures intelligentes, environ 90 % des 363 millions de lampadaires du monde seront éclairés par des LED d'ici 2027. Un tiers d'entre eux utiliseront également des applications intelligentes, une tendance amorcée il y a quelques années. En attendant la publication de financements et de plans substantiels, l'éclairage public est particulièrement adapté comme infrastructure réseau pour diverses technologies numériques dans les villes intelligentes à grande échelle.
Économisez sur les coûts des LED
Selon les principes empiriques proposés par les fabricants d'éclairage et de capteurs, l'éclairage intelligent peut réduire de 50 à 70 % les coûts administratifs et de maintenance liés aux infrastructures. Cependant, la majeure partie de ces économies (environ 50 %, ce qui est suffisant pour faire la différence) pourrait être réalisée simplement en optant pour des ampoules LED à faible consommation d'énergie. Le reste des économies proviendrait de la connexion et du contrôle des projecteurs, ainsi que de la transmission d'informations intelligentes sur leur fonctionnement au sein du réseau d'éclairage.
À eux seuls, les ajustements et observations centralisés peuvent réduire considérablement les coûts de maintenance. Les solutions sont nombreuses et complémentaires : planification, contrôle saisonnier et ajustement du temps ; diagnostic des pannes et réduction de la présence des camions de maintenance. L'impact augmente avec la taille du réseau d'éclairage et se répercute sur le retour sur investissement initial. Le marché estime que cette approche peut être rentabilisée en cinq ans environ, et qu'elle pourrait l'être plus rapidement en intégrant des concepts de ville intelligente plus souples, tels que les capteurs de stationnement, les moniteurs de trafic, le contrôle de la qualité de l'air et les détecteurs d'armes à feu.
Guidehouse Insights, analyste de marché, suit plus de 200 villes pour évaluer le rythme du changement. Selon l'étude, un quart des villes déploient des systèmes d'éclairage intelligent. Les ventes de systèmes intelligents explosent. ABI Research calcule que le chiffre d'affaires mondial sera multiplié par dix pour atteindre 1,7 milliard de dollars d'ici 2026. Le moment clé de la Terre est le suivant : les infrastructures d'éclairage public, étroitement liées aux activités humaines, constituent la voie à suivre pour les villes intelligentes dans un contexte plus large. Dès 2022, plus des deux tiers des nouvelles installations d'éclairage public seront reliées à une plateforme de gestion centrale afin d'intégrer les données de plusieurs capteurs de villes intelligentes, a déclaré ABI.
Adarsh Krishnan, analyste principal chez ABI Research, a déclaré : « Il existe de nombreuses autres opportunités commerciales pour les fournisseurs de villes intelligentes qui exploitent les infrastructures de lampadaires urbains en déployant une connectivité sans fil, des capteurs environnementaux et même des caméras intelligentes. Le défi consiste à trouver des modèles économiques viables qui encouragent la société à déployer des solutions multicapteurs à grande échelle et de manière rentable. »
La question n'est plus de savoir s'il faut se connecter, mais comment et dans quelle mesure. Comme l'observe Krishnan, cela dépend en partie des modèles économiques, mais les capitaux affluent déjà vers les villes intelligentes grâce à la privatisation coopérative des services publics (PPP), où les entreprises privées assument des risques financiers en échange de leurs succès en capital-risque. Les contrats d'abonnement « as-a-service » ont étalé les investissements sur des périodes de retour sur investissement, ce qui a également stimulé l'activité.
En revanche, les lampadaires en Europe sont connectés aux réseaux traditionnels en nid d'abeille (généralement 2G jusqu'à LTE (4G)) ainsi qu'au nouveau dispositif standard IoT HONEYCOMB, LTE-M. La technologie propriétaire à bande ultra-étroite (UNB) entre également en jeu, ainsi que Zigbee, une petite diffusion de Bluetooth basse consommation et des dérivés IEEE 802.15.4.
La Bluetooth Technology Alliance (SIG) accorde une importance particulière aux villes intelligentes. Le groupe prévoit que les livraisons de Bluetooth basse consommation dans les villes intelligentes quintupleront au cours des cinq prochaines années, pour atteindre 230 millions par an. La plupart sont liées au suivi des actifs dans les lieux publics, tels que les aéroports, les stades, les hôpitaux, les centres commerciaux et les musées. Cependant, le Bluetooth basse consommation est également destiné aux réseaux extérieurs. « Cette solution de gestion des actifs améliore l'utilisation des ressources des villes intelligentes et contribue à réduire les coûts d'exploitation urbains », a déclaré la Bluetooth Technology Alliance.
Une combinaison des deux techniques est meilleure !
Chaque technologie suscite cependant des controverses, dont certaines ont été résolues par le débat. Par exemple, l'UNB propose des limites plus strictes concernant la charge utile et les délais de livraison, excluant ainsi la prise en charge parallèle de plusieurs applications de capteurs ou d'applications telles que les caméras qui le nécessitent. Les technologies à courte portée sont moins coûteuses et offrent un débit plus élevé pour le développement de paramètres d'éclairage en tant que plateforme. Plus important encore, elles peuvent également jouer un rôle de secours en cas de déconnexion du signal WAN et permettre aux techniciens de lire directement les capteurs à des fins de débogage et de diagnostic. Le Bluetooth basse consommation, par exemple, fonctionne avec la quasi-totalité des smartphones du marché.
Bien qu'un réseau plus dense puisse améliorer la robustesse, son architecture devient complexe et impose des besoins énergétiques plus élevés aux capteurs point à point interconnectés. La portée de transmission est également problématique ; la couverture avec Zigbee et Bluetooth basse consommation n'est que de quelques centaines de mètres au maximum. Bien que diverses technologies à courte portée soient compétitives et bien adaptées aux capteurs basés sur le réseau et couvrant tout le voisinage, il s'agit de réseaux fermés qui nécessitent l'utilisation de passerelles pour transmettre les signaux vers le cloud.
Une connexion en nid d'abeille est généralement ajoutée à la fin. La tendance des fournisseurs d'éclairage intelligent est d'utiliser une connectivité en nid d'abeille point à cloud pour couvrir une distance de 5 à 15 km entre une passerelle ou un capteur. La technologie Beehive offre une grande portée de transmission et une grande simplicité. Elle offre également une mise en réseau standard et un niveau de sécurité accru, selon la communauté Hive.
Neill Young, responsable du secteur Internet des objets à la GSMA, organisme sectoriel représentant les opérateurs de réseaux mobiles, a déclaré : « Les opérateurs d'action… bénéficient d'une couverture complète de la zone et ne nécessitent donc aucune infrastructure supplémentaire pour connecter les dispositifs et capteurs d'éclairage urbain. Le réseau en nid d'abeilles, doté du spectre sous licence, est sûr et fiable, ce qui signifie que l'opérateur bénéficie des meilleures conditions, peut répondre à un grand nombre de besoins, bénéficier d'une autonomie de batterie bien plus longue, d'une maintenance minimale et d'une longue distance de transmission pour des équipements peu coûteux. »
Selon l'ABI, parmi toutes les technologies de connectivité disponibles, le réseau en nid d'abeille connaîtra la plus forte croissance dans les années à venir. L'engouement pour les réseaux 5G et la ruée vers l'infrastructure 5G ont incité les opérateurs à s'emparer des lampadaires et à installer de petites unités en nid d'abeille en milieu urbain. Aux États-Unis, Las Vegas et Sacramento déploient la LTE et la 5G, ainsi que des capteurs pour villes intelligentes, sur leurs lampadaires via les opérateurs AT&T et Verizon. Hong Kong vient de dévoiler un plan d'installation de 400 lampadaires 5G dans le cadre de son initiative de ville intelligente.
Intégration étroite du matériel
Nielsen a ajouté : « Nordic propose des produits multimodes courte et longue portée, avec son SoC nRF52840 prenant en charge les technologies Bluetooth basse consommation, Bluetooth Mesh et Zigbee, ainsi que Thread et les systèmes propriétaires 2,4 GHz. Le SiP nRF9160 de Nordic, basé sur la technologie Honeycomb, prend en charge les technologies LTE-M et NB-iot. La combinaison de ces deux technologies offre des avantages en termes de performances et de coûts. »
La séparation des fréquences permet à ces systèmes de coexister, le premier fonctionnant sur la bande 2,4 GHz sans autorisation, et le second fonctionnant partout où se trouve la LTE. Aux fréquences inférieures et supérieures, il existe un compromis entre une couverture plus étendue et une capacité de transmission accrue. Cependant, dans les plateformes d'éclairage, la technologie sans fil courte portée est généralement utilisée pour interconnecter les capteurs, la puissance de calcul de pointe pour l'observation et l'analyse, et l'IoT en nid d'abeille pour renvoyer les données vers le cloud, ainsi que pour le contrôle des capteurs pour des niveaux de maintenance plus élevés.
Jusqu'à présent, les radios courte et longue portée ont été ajoutées séparément, et non intégrées sur la même puce. Dans certains cas, les composants sont séparés car les défaillances de l'illuminateur, du capteur et de la radio sont différentes. Cependant, l'intégration de deux radios dans un système unique permettra une meilleure intégration technologique et une réduction des coûts d'acquisition, des facteurs clés pour les villes intelligentes.
Nordic estime que le marché évolue dans cette direction. L'entreprise a intégré des technologies de connectivité IoT sans fil courte portée et en nid d'abeille dans ses équipements et logiciels au niveau du développeur, afin que les fabricants de solutions puissent les utiliser simultanément dans des applications de test. La carte DK de Nordic pour SiP nRF9160 a été conçue pour permettre aux développeurs de « faire fonctionner leurs applications IoT en nid d'abeille » ; Nordic Thingy:91 a été décrit comme une « passerelle prête à l'emploi complète » pouvant servir de plateforme de prototypage standard ou de preuve de concept pour les premières conceptions de produits.
Les deux sont dotés d'un SiP nRF9160 en nid d'abeille multimode et d'un SoC nRF52840 multiprotocole à courte portée. Selon Nordic, les systèmes embarqués combinant ces deux technologies pour des déploiements IoT commerciaux ne seront commercialisés que dans quelques mois.
Nordic Nielsen a déclaré : « La plateforme d'éclairage urbain intelligent a été mise en place pour toutes ces technologies de connexion. Le marché sait très bien comment les combiner. Nous avons fourni des solutions aux fabricants pour tester leur interaction. Il est impératif de les combiner en solutions commerciales, et ce, dans les meilleurs délais. »
Date de publication : 29 mars 2022