Les villes intelligentes interconnectées portent en elles de beaux espoirs. Dans ces villes, les technologies numériques unissent 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. Surtout, elles promettent d'être vertes, ultime atout de l'humanité face à la destruction de la planète.
Mais les villes intelligentes sont un défi de taille. Les nouvelles technologies sont coûteuses, les collectivités locales sont soumises à des contraintes budgétaires et le contexte politique, marqué par des cycles électoraux courts, rend difficile la mise en place d'un modèle de déploiement technologique centralisé, à la fois opérationnel et financier, réutilisable dans les zones urbaines à l'échelle mondiale ou nationale. En réalité, la plupart des villes intelligentes phares dont on parle tant ne sont en fait qu'un ensemble d'expérimentations technologiques diverses et de projets régionaux annexes, sans perspectives d'expansion significatives.
Prenons l'exemple des conteneurs à ordures et des parkings, équipés de capteurs et d'outils d'analyse intelligents. Dans ce contexte, le retour sur investissement (RSI) est difficile à calculer et à standardiser, notamment en raison de la fragmentation des services publics (entre organismes publics et services privés, ainsi qu'entre villes, régions et pays). Considérons également la surveillance de la qualité de l'air : comment évaluer facilement l'impact d'un air pur sur les services de santé dans une ville ? Logiquement, les villes intelligentes sont difficiles à mettre en œuvre, mais aussi difficiles à nier.
Il subsiste cependant une lueur d'espoir dans le brouillard de la transformation numérique. L'éclairage public, intégré à tous les services municipaux, offre aux villes une plateforme pour acquérir des fonctionnalités intelligentes et 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 d'augmenter. Ces projets associent des réseaux de capteurs à des modules matériels fixés aux lampadaires, permettant ainsi le contrôle à distance de l'éclairage et la gestion d'autres fonctions, telles que le comptage du trafic, la surveillance de la qualité de l'air, voire la détection d'armes à feu.
Du haut des lampadaires, les villes s'attaquent désormais à la qualité de vie urbaine, notamment à la fluidité du trafic, à la mobilité, aux nuisances sonores et atmosphériques, ainsi qu'aux nouvelles opportunités commerciales. Même les capteurs de stationnement, traditionnellement enfouis dans les parkings, peuvent être connectés à l'infrastructure d'éclairage de manière économique et efficace. Des villes entières peuvent ainsi être interconnectées et optimisées sans travaux de voirie, sans location d'espace ni résolution de problèmes informatiques complexes liés à un cadre de vie plus sain et à des rues plus sûres.
Cela fonctionne car, généralement, les solutions d'éclairage intelligent ne sont pas initialement conçues dans l'optique de réaliser des économies. En réalité, la viabilité de la révolution numérique urbaine est une conséquence fortuite du développement simultané de l'éclairage.
Les économies d'énergie réalisées grâce au remplacement des ampoules à incandescence par un éclairage LED à semi-conducteurs, ainsi que la disponibilité de sources d'alimentation électrique et d'infrastructures d'éclairage étendues, rendent les villes intelligentes possibles.
Le rythme de la conversion aux LED s'est stabilisé et l'éclairage intelligent connaît un essor fulgurant. D'après Northeast Group, cabinet d'analyse spécialisé dans les infrastructures intelligentes, environ 90 % des 363 millions de lampadaires dans le monde seront équipés de LED d'ici 2027. Un tiers d'entre eux exécuteront également des applications intelligentes, une tendance amorcée il y a quelques années. En attendant des financements conséquents et la publication de plans détaillés, l'éclairage public est avant tout conçu comme une infrastructure réseau pour diverses technologies numériques dans les grandes villes intelligentes.
Réduisez le coût des LED
D'après les estimations des fabricants de luminaires et de capteurs, l'éclairage intelligent peut réduire de 50 à 70 % les coûts administratifs et de maintenance liés à l'infrastructure. Cependant, la majeure partie de ces économies (environ 50 %, ce qui est significatif) pourrait être réalisée simplement en optant pour des ampoules LED basse consommation. Le reste des économies provient de la connexion et du contrôle des luminaires, ainsi que de la transmission d'informations intelligentes sur leur fonctionnement au sein du réseau d'éclairage.
La centralisation des réglages et des observations permet à elle seule de réduire considérablement les coûts de maintenance. Plusieurs méthodes existent et se complètent : planification, gestion saisonnière et ajustement des horaires ; diagnostic des pannes et réduction des interventions des équipes de maintenance. L’impact est proportionnel à la taille du réseau d’éclairage et contribue à un meilleur retour sur investissement initial. Selon le marché, cette approche peut être amortie en cinq ans environ, voire plus rapidement en intégrant des concepts de ville intelligente plus « douces », tels que les capteurs de stationnement, la surveillance du trafic, le contrôle de la qualité de l’air et les détecteurs d’armes à feu.
Guidehouse Insights, cabinet d'analyse de marché, suit plus de 200 villes pour évaluer le rythme des changements. Selon ce cabinet, un quart des villes déploient des systèmes d'éclairage intelligent. Les ventes de ces systèmes explosent. ABI Research estime que les revenus mondiaux seront multipliés par dix pour atteindre 1,7 milliard de dollars d'ici 2026. C'est un peu comme si la Terre connaissait une véritable révélation : l'infrastructure d'éclairage public, étroitement liée aux activités humaines, représente l'avenir des villes intelligentes. Dès 2022, plus des deux tiers des nouvelles installations d'éclairage public seront connectées à une plateforme de gestion centralisée afin d'intégrer les données provenant de multiples capteurs de villes intelligentes, indique ABI.
Adarsh Krishnan, analyste principal chez ABI Research, a déclaré : « Les fournisseurs de solutions pour villes intelligentes qui tirent parti des infrastructures d’éclairage urbain en déployant une connectivité sans fil, des capteurs environnementaux et même des caméras intelligentes ont de nombreuses opportunités commerciales. Le défi consiste à trouver des modèles économiques viables qui incitent la société à déployer à grande échelle des solutions multi-capteurs de manière rentable. »
La question n'est plus de savoir s'il faut se connecter, mais comment et dans quelle mesure. Comme le souligne Krishnan, les modèles économiques jouent un rôle important, mais les investissements affluent déjà dans les villes intelligentes grâce aux partenariats public-privé (PPP), où des entreprises privées prennent des risques financiers en contrepartie de la réussite de levées de fonds. Les contrats d'abonnement « à la demande » permettent d'étaler les investissements sur plusieurs périodes, ce qui a également stimulé l'activité.
En revanche, les lampadaires en Europe sont connectés aux réseaux en nid d'abeille traditionnels (généralement de la 2G à la 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 partie du Bluetooth basse consommation et les dérivés de l'IEEE 802.15.4.
L'Alliance pour les technologies Bluetooth (SIG) accorde une importance particulière aux villes intelligentes. Elle prévoit que les livraisons de solutions Bluetooth basse consommation dans ces villes seront multipliées par cinq au cours des cinq prochaines années, pour atteindre 230 millions d'unités par an. La plupart de ces solutions 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 l'Alliance pour les technologies Bluetooth.
Une combinaison des deux techniques est préférable !
Chaque technologie présente ses 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 transmission, excluant ainsi la prise en charge parallèle pour les applications multi-capteurs ou pour les applications telles que les caméras qui l'exigent. La technologie à courte portée est moins coûteuse et offre un débit supérieur pour le développement de systèmes d'éclairage intégrés. De plus, elle peut servir de solution de secours en cas de coupure 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, est compatible avec la quasi-totalité des smartphones du marché.
Bien qu'un réseau plus dense puisse améliorer la robustesse, son architecture se complexifie et accroît la consommation énergétique des capteurs interconnectés. La portée de transmission pose également problème ; la couverture via Zigbee et Bluetooth basse consommation ne dépasse pas quelques centaines de mètres. Si diverses technologies à courte portée sont compétitives et bien adaptées aux réseaux de capteurs à proximité les uns des autres, 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 en dernier lieu. La tendance chez les fournisseurs d'éclairage intelligent est d'utiliser une connectivité point-à-cloud en nid d'abeille pour assurer une couverture de 5 à 15 km entre la passerelle et les capteurs. La technologie en nid d'abeille offre une large portée de transmission et une grande simplicité ; elle fournit également une mise en réseau prête à l'emploi et un niveau de sécurité plus élevé, selon la communauté Hive.
Neill Young, responsable du pôle Internet des objets à la GSMA, association professionnelle représentant les opérateurs de réseaux mobiles, a déclaré : « Les opérateurs d’infrastructures mobiles… bénéficient d’une couverture complète de la zone et n’ont donc pas besoin d’infrastructures supplémentaires pour connecter les dispositifs d’éclairage urbain et les capteurs. Le réseau en nid d’abeille, basé sur un spectre sous licence, offre sécurité et fiabilité, ce qui permet à l’opérateur de répondre à un grand nombre de besoins, de bénéficier d’une autonomie de batterie accrue, d’une maintenance minimale et d’une longue portée de transmission pour des équipements à faible coût. »
Parmi toutes les technologies de connectivité disponibles, la technologie HONEYCOMB connaîtra la plus forte croissance dans les années à venir, selon ABI. L'engouement pour les réseaux 5G et la course à l'infrastructure 5G ont incité les opérateurs à équiper les lampadaires de modules HONEYCOMB en milieu urbain. Aux États-Unis, Las Vegas et Sacramento déploient la LTE et la 5G, ainsi que des capteurs pour villes intelligentes, sur les lampadaires via les opérateurs AT&T et Verizon. Hong Kong vient de dévoiler un plan visant à installer 400 lampadaires compatibles 5G dans le cadre de son initiative de ville intelligente.
Intégration étroite du matériel
Nielsen a ajouté : « Nordic propose des produits multimodes à courte et longue portée, avec son SoC nRF52840 compatible Bluetooth basse consommation, Bluetooth Mesh et Zigbee, ainsi que Thread et des systèmes propriétaires 2,4 GHz. Le SiP nRF9160 de Nordic, basé sur l’architecture Honeycomb, prend en charge LTE-M et NB-IoT. L’association de ces deux technologies offre des avantages en termes de performances et de coûts. »
La séparation des fréquences permet la coexistence de ces systèmes : les premiers fonctionnent sur la bande 2,4 GHz sans autorisation, tandis que les seconds sont disponibles partout où le réseau LTE est déployé. Aux fréquences inférieures et supérieures, il existe un compromis entre une couverture étendue et une capacité de transmission accrue. Dans les plateformes d’éclairage, la technologie sans fil à courte portée est généralement utilisée pour interconnecter les capteurs, la puissance de calcul en périphérie pour l’observation et l’analyse, et l’Internet des objets en nid d’abeille pour renvoyer les données vers le cloud et contrôler les capteurs afin d’optimiser la maintenance.
Jusqu'à présent, les modules radio à courte et longue portée étaient ajoutés séparément, et non intégrés à une même puce. Dans certains cas, cette séparation s'explique par la diversité des défaillances possibles de l'illuminateur, du capteur et du module radio. Toutefois, l'intégration de deux modules radio dans un système unique permettrait une intégration technologique plus poussée et une réduction des coûts d'acquisition, deux facteurs essentiels pour les villes intelligentes.
Nordic estime que le marché évolue dans ce sens. L'entreprise a intégré les technologies de connectivité sans fil à courte portée et IoT Honeycomb dans ses solutions matérielles et logicielles, au niveau du développement, permettant ainsi aux fabricants de solutions de les exécuter simultanément dans des applications de test. La carte DK de Nordic pour le SiP nRF9160 a été conçue pour permettre aux développeurs de rendre leurs applications IoT Honeycomb fonctionnelles. Le Nordic Thingy:91 est présenté comme une passerelle prête à l'emploi, utilisable comme plateforme de prototypage ou preuve de concept pour les premières conceptions de produits.
Les deux systèmes intègrent une puce SiP nRF9160 multimode à structure en nid d'abeille et un SoC nRF52840 multiprotocole à courte portée. Selon Nordic, les systèmes embarqués combinant ces deux technologies pour les déploiements IoT commerciaux ne sont plus qu'à quelques mois de leur commercialisation.
Nordic Nielsen a déclaré : « La plateforme d'éclairage urbain intelligent a été mise en place pour intégrer toutes ces technologies de connexion ; le marché cherche clairement à savoir comment les combiner. Nous avons fourni des solutions aux fabricants, notamment des cartes de développement, afin qu'ils puissent tester leur interopérabilité. Il est impératif, dans les plus brefs délais, de les intégrer dans des solutions commerciales. »
Date de publication : 29 mars 2022