Un jeu de puissance : limiter l’impact énergétique total des systèmes IoT

Les appareils IoT jouent un rôle essentiel dans la lutte pour la réduction des émissions de carbone, mais leur production, leur fonctionnement et leur gestion génèrent également une empreinte considérable.
Une optimisation des besoins énergétiques totaux des systèmes IoT connectés est nécessaire.

Les appareils IoT continuent à se multiplier. IDC estime à 56 milliards le nombre d’appareils IoT connectés d’ici fin 2025^[1]. S’ils participent à réduire la consommation d’énergie et d’eau, leur production et leur fonctionnement ont également un impact environnemental non négligeable. Selon une étude de Transforma Insights,  d’ici 2030, la fabrication de technologies IoT nouvelles et émergentes pourrait entraîner une hausse de la consommation d’électricité de 34 térawatts-heures (TWh)^[2]. Les processus d’installation et d’entretien consomment également de l’énergie, sans compter celle nécessaire pour les connecter aux réseaux et au cloud en vue de traiter leurs données.

Composants énergivores des systèmes IoT

Bien que l’ensemble du cycle de vie d’un appareil, de sa fabrication à sa mise au rebut, représente une part considérable de la consommation d’énergie totale d’un système IoT, une approche globale est primordiale pour connaître en détail l’impact énergétique de tous ses composants. Cette dernière inclut donc le réseau et les plateformes.

L’appareil : les appareils IoT contiennent en général au moins un capteur, un processeur, une antenne et une puce radio. Chaque composant nécessite une certaine quantité d’énergie pour fonctionner. La consommation d’énergie des appareils varie en fonction du matériel, notamment le nombre et le type de capteurs, d’actionneurs ou de processeurs. La consommation d’énergie est également déterminée par la quantité et la fréquence des données transmises par les appareils IoT et par la nature unidirectionnelle ou bidirectionnelle de la communication des données.

Le réseau : les données générées et transmises par les appareils IoT transitent par des réseaux composés d’équipements tels que des passerelles, des routeurs et des serveurs. Tous ces équipements ont besoin d’énergie. La consommation des différents réseaux varie également en fonction de certains facteurs, comme les protocoles de transfert de données utilisés.

La plateforme : les fournisseurs de services IoT utilisent des plateformes IoT pour gérer et exploiter commercialement les appareils IoT interconnectés. La plateforme assure la gestion des appareils, de la connectivité et de la communication, l’analyse des données et l’intégration avec les applications d’entreprise. Elle permet également de créer, de tester et de déployer des applications verticales. Les plateformes IoT consomment néanmoins d’importantes quantités d’énergie, puisqu’elles collectent en permanence les données transmises. Ainsi, l’analyse et la gestion de grands volumes d’informations consomment de grandes quantités d’énergie à des fins de traitement, en particulier dans le cas des flux de données en temps réel.

Orange fait face aux défis énergétiques des appareils IoT

Économies d’énergie grâce à la conception des appareils et la gestion de la batterie

Les fabricants d’appareils poursuivent leur travail remarquable en concevant des appareils IoT plus petits, rentables et économes en énergie pour prolonger la durée de vie des batteries, réduire les coûts en matériaux et améliorer la fiabilité. Dans certains appareils IoT au fonctionnement intermittent, les batteries peuvent être remplacées par des supercondensateurs qui stockent l’énergie de manière électrostatique. Cette modification permet une charge rapide et évite le remplacement des batteries sur site. En tant qu’opérateur, Orange travaille en étroite collaboration avec les fabricants d’appareils afin de les guider vers une approche d’écoconception, essentielle pour les clients cherchant à atteindre les objectifs de responsabilité sociétale des entreprises (RSE).

Si la conception des appareils est primordiale pour améliorer leur rendement énergétique, la surveillance de l’intégrité des batteries et la prédiction des performances peuvent grandement contribuer à prolonger leur durée de vie et à minimiser les déplacements des techniciens pour la maintenance sur le terrain. Les progrès récents des algorithmes de machine learning ont fait leurs preuves dans ce domaine. Orange a développé un logiciel breveté basé sur cette technologie pour prédire et évaluer précisément la consommation des batteries. Les appareils peuvent ainsi optimiser l’utilisation de la puissance de traitement et le transfert des données.

 

Économies d’énergie grâce à la récupération d’énergie

Les technologies de récupération d’énergie peuvent alimenter les appareils IoT de manière durable et réduire leur dépendance à l’égard des batteries. L’énergie solaire, cinétique ou thermique permet aux appareils IoT de fonctionner de manière autonome, tout en réduisant les coûts d’exploitation et en améliorant l’aspect durable.

Par exemple, le partenaire d’Orange, MOÏZ, développe des centrales d’acquisition de données autonomes sans fil et sans pile, alimentées par la récupération d’énergie thermique. En convertissant les gradients thermiques en énergie électrique, la technologie de MOÏZ élimine le besoin de batteries. Cela permet également de déployer des capteurs dans des zones reculées ou difficiles d’accès, réduisant ainsi les coûts de maintenance et l’impact environnemental, tout en facilitant le fonctionnement à long terme des dispositifs IoT.

 

Économies d’énergie grâce à la connectivité des appareils

Le réseau LoRaWAN a été conçu pour l’IoT. Il est particulièrement utile pour les applications IoT avec des communications longue distance et de faibles débits de données, notamment pour les villes intelligentes, l’agriculture intelligente, l’IoT industriel et la surveillance de l’environnement. Malgré ses avantages, LoRaWAN ne prend pas en charge les cas d’utilisation nécessitant des débits de données plus élevés, une latence plus faible, la prise en charge de la voix ou l’itinérance internationale.

La transition entre LoRaWAN et LTE-M représente donc un défi technique, que les fabricants d’appareils ne sont généralement pas capables de gérer seuls, en raison du manque de compétences internes. Le fabricant d’appareils connectés et de solutions sans fil pour les bâtiments intelligents et les processus industriels Adeunis a collaboré avec Orange pour mener à bien sa transition vers le LTE-M en intégrant la norme Lightweight-M2M (LwM2M) dans ses appareils. 

Adeunis a déterminé que le protocole LwM2M était plus adapté aux déploiements IoT à grande échelle que le protocole MQTT (message queuing telemetry transport) utilisé auparavant. Selon Adeunis, le rendement énergétique de LwM2M dans les déploiements IoT est bien plus élevé qu’avec MQTT, car les transmissions basées sur LwM2M sont moins gourmandes en ressources et ne nécessitent pas d’échanges de données constants pour le maintien de la connexion : LwM2M utilise CoAP/UDP pour le transport, tandis que MQTT utilise TCP.

Ce projet, qui a nécessité deux années de travail, a porté ses fruits : le passage au LTE-M et au LwM2M a permis à Adeunis de diviser par trois la consommation d’énergie de ses appareils IoT et de multiplier par cinq le trafic de données. Adeunis prévoit également une plus grande longévité des appareils avec la connectivité LwM2M par rapport à MQTT, dont la durée de vie est de 5 à 15 ans.

 

Les plateformes de gestion des appareils identifient les économies d’énergie

Le transfert de données est l’une des opérations les plus énergivores pour les appareils IoT. Les pics de données provenant des appareils IoT peuvent alors faire grimper la consommation d’énergie globale. Lorsqu’un appareil IoT est confronté à un pic de données, il transfère généralement une plus grande quantité de données dans un court laps de temps. Ce transfert accru de données a un impact direct sur la consommation d’énergie :

·         Augmentation de la durée de transfert : l’appareil reste plus longtemps dans un état actif pour le transfert, entraînant une hausse de la consommation d’énergie par rapport aux périodes d’inactivité.

·         Consommation d’énergie accrue : les événements d’émission et de réception (Tx/Rx) sur un appareil IoT sont les plus énergivores, avec une consommation pouvant aller de quelques dizaines à quelques centaines de milliampères ou plus, en fonction du protocole de radiofréquence (RF) utilisé.

 

Pour les éviter, Orange a développé un outil d’IA prédictif intégré à la plateforme de gestion de la connectivité IoT de l’entreprise. Cet outil simple d’utilisation surveille et analyse le trafic à l’aide d’algorithmes de machine learning afin de détecter des schémas anormaux dans les flottes d’appareils. Il est capable d’anticiper ces événements et de surveiller l’activité les appareils IoT, tout en permettant aux clients de prendre des mesures correctives, pour économiser de l’énergie et de l’argent.

Une problématique de taille, aujourd’hui et demain

La consommation mondiale d’électricité devrait augmenter au cours des deux prochaines années^[3], après une période de consommation relativement constante. Les prix de l’énergie restent élevés. L’IEA estime que la consommation d’électricité des datacenters pourrait doubler d’ici à 2026^[4], face à la demande accrue liée à l’IA et aux cryptomonnaies. Une mauvaise maîtrise de la consommation d’énergie pourrait nuire aux avantages offerts par l’Internet des objets, qui reste un domaine très prometteur.

Dans un monde aux milliards d’appareils connectés, nous devons nous concentrer sur une innovation durable et optimiser la gestion de l’énergie à chaque étape du parcours IoT. En tant qu’opérateur et intégrateur de premier plan, Orange propose à ses clients des plateformes et des réseaux partagés de niveau industriel pour optimiser la consommation d’énergie et permettre aux partenaires de se concentrer sur le développement d’appareils et d’applications verticales économes en énergie.