Les communications industrielles sans fil assurent depuis plus de 30 ans une connectivité sûre et efficace dans les applications industrielles d'automatisation, de contrôle du mouvement, de surveillance à distance, etc. À mesure que les installations se sont diversifiées et multipliées au fil des ans, de nouvelles technologies sans fil sont apparues et ont fini par offrir une combinaison spécialisée de portée, de fiabilité et de rendement énergétique.
L'Internet des objets représente aujourd'hui le point culminant de cette expansion. Les capteurs, les contrôleurs de mouvement, les vannes, les pompes, les commandes d'arrêt d'urgence et de nombreux autres types de dispositifs sont utilisés selon des modalités quasi infinies pour fournir des informations en temps voulu à des installations du monde entier. Pour faire fonctionner la dimension industrielle de cet Internet des objets (ou IoT), des technologies de communication filaires classiques ou des technologies sans fil plus récentes, telles que Bluetooth, ZigBee, Wi-Fi, SigFox ou Cellular WAN offrent chacune des solutions originales. Pour choisir celle qui convient le mieux, il importe de connaître clairement les atouts et les faiblesses de chacune.
Bien que les communications filaires se soient imposées comme des technologies fiables et rapides, les solutions sans fil offrent des avantages considérables lorsque l'application implique des déplacements ou que les déploiements doivent être efficaces. L'avantage immédiat, et peut-être le plus évident, des communications industrielles sans fil est qu'elles dispensent l'utilisateur du travail et du coût que représente l'installation de câbles de communication. Ces coûts peuvent grimper très vite dans des usines de grande taille où les longueurs de câble peuvent atteindre des centaines de mètres dans des environnements rudes, ou pour des installations en extérieur où le coût d'un câblage de communication serait prohibitif. Les frais d'entretien sont également réduits, puisque les techniciens n'ont pas besoin de rechercher les pannes sur de grandes longueurs de câble et peuvent au contraire se concentrer sur un nombre limité de points d'installation pour débusquer les problèmes. Cette solution réduit aussi les délais de mise en service et la complexité, en particulier dans le cadre de stations et de capteurs fonctionnant avec des batteries de faible puissance. Les avantages cumulés des technologies sans fil en font une solution très séduisante pour le remplacement des communications filaires classiques.
Toutefois, le déploiement de ces technologies dans des environnements industriels doit être soigneusement préparé. Bien souvent, des contraintes physiques et opérationnelles doivent être satisfaites pour garantir un fonctionnement fiable et sécurisé. Les dispositifs de communication doivent pouvoir supporter des niveaux de température et d'humidité extrêmes et résister à l'eau, aux produits chimiques, aux chocs, aux vibrations, au bruit et aux interférences électromagnétiques. S'ils sont installés en extérieur, ils devront être compatibles à la norme IP65, qui indique que l'appareil est totalement étanche à l'eau et aux poussières. Les appareils qui ne répondent pas à ces strictes exigences environnementales ne résistent souvent pas dans les déploiements industriels, ce qui peut poser des problèmes de sécurité, au-delà des problèmes opérationnels évidents qu'entraînent les pannes des systèmes de communication. La sécurité est aussi une préoccupation majeure, puisqu'une éventuelle manipulation des données risquerait de compromettre à la fois la sécurité et le bon fonctionnement des installations. Enfin, les systèmes de communication doivent répondre à des exigences strictes de sécurité, de disponibilité et de temps de réponse afin que les systèmes industriels continuent de fonctionner comme prévu ou se mettent hors service en cas de dysfonctionnement. Même une panne temporaire de transmission ou de réception dans un système isochrone peut entraîner l'arrêt de tout un processus de fabrication.
Heureusement, il existe plusieurs options de contrôle industriel sans fil, chacune présentant ses propres atouts. Pour les déploiements localisés dans les bâtiments et aux alentours, les technologies 2,4 et 5 GHz dominent le secteur de façon écrasante, même si leur déploiement exige une certaine préparation pour garantir le bon fonctionnement du système si plusieurs appareils travaillent dans une même plage de fréquences. Pour les installations en extérieur et les appareils largement dispersés, on trouve plutôt une forme ou une autre de communications cellulaires.
Bluetooth fonctionne entre 2 400 et 2 480 MHz. Cette norme est souvent utilisée pour les liaisons de communications série industrielles. Les appareils Bluetooth BR (Basic Rate) peuvent prendre en charge des débits pouvant avoisiner 780 kbps, tandis que leurs homologues EDR (Enhanced Data Rate) offrent un débit d'environ 2,1 Mbps. Selon la classe des appareils utilisés, la portée peut varier de 3 à 100 mètres dans les environnements industriels. La technologie par sauts de fréquence adaptatifs sur 80 canaux de 1 MHz donne des connexions extrêmement fiables pour de nombreux appareils Bluetooth. Les liaisons sont également protégées par un chiffrement sur 128 bits. Un même appareil maître peut se voir associé jusqu'à 7 appareils sans baisse de débit. Bluetooth offre des réactions en temps réel, avec une latence de 5 à 10 ms seulement. Certains dispositifs peuvent en outre prendre en charge la liaison avec des appareils Bluetooth Low Energy (LE, également appelée Bluetooth Smart). TI propose un excellent exemple de ces appareils à double capacité avec son module certifié d'interface de contrôleur hôte, le CC2564 Bluetooth 4.1. Celui-ci convient aux environnements industriels, existe avec ou sans antenne intégrée et peut accepter simultanément jusqu'à sept connexions BR/EDR et dix connexions Bluetooth LE actives. Un tampon distinct permet de protéger les connexions BR/EDR contre l'ajout de connexions Bluetooth LE.
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Bluetooth Low Energy exploite la solide spécification Bluetooth et offre plusieurs améliorations concernant notamment le rendement énergétique et les communications peu fréquentes. Pour économiser l'énergie, les liaisons ne sont pas conservées à l'état actif, mais leur rétablissement prend moins de 10 ms. La nature intermittente des transmissions permet de connecter davantage de dispositifs esclaves actifs. L'ajout de nouveaux dispositifs augmente toutefois la latence du système. Il faut donc adapter le nombre d'appareils connectés aux besoins de latence en temps réel du système. Le compromis auquel obligent les fonctionnalités d'économie d'énergie est une baisse du débit, puisque les liaisons sont limitées à environ 270 kbps. Les futures améliorations apportées par la norme Bluetooth® Smart 2016 seront une plus grande portée, une vitesse supérieure et le maillage des réseaux. Dans des contextes industriels, ces caractéristiques font de Bluetooth LE la solution idéale pour des capteurs, des actionneurs et autres appareils alimentés par batterie ou pile qui ne nécessitent que de courts pics de données de façon intermittente. TI propose également d'excellentes solutions pour Bluetooth LE. Le SimpleLinkTMCC2640 est un MCU Bluetooth LE basé sur l'ARM-Cortex M3, et les CC2540 et 2541 sont des solutions SoC économiques (System on Chip ou système sur puce) pour les applications Bluetooth LE maîtres ou esclaves basées sur ce standard industriel qu'est le MCU 8051. Tous offrent une foule d'options de connectivité en E/S et permettent aux concepteurs de créer rapidement des modèles adaptés à leurs besoins spécifiques.
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ZigBee est une autre technologie de maillage sans fil à 2,4 GHz, faible consommation et bande étroite. Elle est de plus en plus répandue pour les applications industrielles de contrôle et de surveillance sans fil et se révèle plus économique que les systèmes Bluetooth ou LAN sans fil. En revanche, sa latence est nettement supérieure et les débits de données sont limités à 200 kbps (parfois moins en fonction du nombre de nœuds déployés). Sa topologie de maillage sans fil confère à ZigBee certains avantages exclusifs. Chaque liaison est limitée à une fourchette de 30 à 100 mètres avec ligne de visée mais, dans des configurations en agrégation, de très vastes espaces peuvent être connectés sur un seul réseau ZigBee maillé. Les appareils peuvent également être configurés de façon à s'ajouter eux-mêmes au réseau de façon automatique. Les systèmes de contrôle du trafic ou de surveillance, de contrôle des données de processus ou autres applications à faible débit de données sont d'excellents exemples de systèmes pour lesquels ZigBee est le choix de prédilection. La sécurité est bien assurée, puisque les liaisons sont protégées par un chiffrement sur 128 bits. TI propose plusieurs appareils ZigBee qui trouveront parfaitement leur place dans des installations industrielles. Son SimpleLink CC2630 est un MCU ZigBee équipé d'un processeur ARM Cortex-M3 et doté de capacités d'E/S exclusives, avec notamment la prise en charge intégrée de boutons tactiles capacitifs. Quant au CC2630, plus puissant, il troque certaines de ces fonctionnalités d'E/S contre une mémoire flash supplémentaire et de la SRAM. Si un microcontrôleur 8051 s'avère nécessaire, le SoC CC2530 de TI pourra s'avérer un meilleur choix.
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Le WLAN industriel est une solution 2,4 GHz très usitée lorsqu'un débit supérieur est nécessaire. Il offre une excellente portée, une très bonne résistance aux interférences et un très bon niveau de sécurité. Combiné à ProfiNET, Profisafe ou à d'autres technologies comparables, il peut représenter une solution d'une grande efficacité pour les communications industrielles sans fil. Plusieurs versions de cette technologie connaissent une évolution régulière depuis plus de 20 ans. Trois canaux existent sans se chevaucher dans la bande des 2,4 GHz et le débit peut atteindre plusieurs Mbps. Bluetooth et ZigBee intègrent tous deux des mécanismes permettant d'interagir avec les WLAN 2,4 GHz, et les nouvelles versions de la norme 802.11 ajoutent également des fonctionnalités qui aident à assurer l'interopérabilité lorsque le spectre est encombré. Le WLAN peut également fonctionner avec 19 canaux sans chevauchement dans la bande des 5 GHz, chacun d'entre eux évitant totalement d'entrer en concurrence pour les mêmes fréquences avec Bluetooth, ZigBee et autres technologies 2,4 GHz. En raison des hautes fréquences utilisées, il est conseillé de conserver une ligne de visée pour les applications 5 GHz, mais le peu d'encombrement du spectre en fait néanmoins un choix très intéressant. L'une des faiblesses du WLAN est qu'il faut de 50 ms à plusieurs secondes pour passer d'un point d'accès au suivant. Lorsque des liaisons WLAN servent à contrôler des appareils soumis à de larges déplacements, des précautions doivent être prises pour assurer la continuité des communications lors de ces transitions. Pour les installations à points d'accès unique, une solution consiste à connecter au point d'accès plusieurs antennes largement espacées pour assurer une liaison interrompue. On peut aussi utiliser un câble RF dit « rayonnant » qui représentera l'équivalent d'une antenne continue à courte portée le long d'un trajet fixe étendu. Pour les trajets comportant plusieurs points d'accès, la solution la plus fiable est la mise en place de plusieurs signaux radio. Un scénario courant consiste à utiliser une connexion pour les signaux de contrôle et une autre pour les données, ou un système échelonné de PA redondants qui permet de basculer sur un deuxième réseau actif lorsque le réseau principal est en transit entre deux points d'accès. TI propose plusieurs solutions de WLAN industriel séduisantes. Le SimpleLink CC3200 est un microcontrôleur Wi-Fi 802.11 b/g/n basé sur un Cortex-M4 ARM à circuit imprimé unique qui convient particulièrement bien aux environnements industriels. Il peut exécuter des protocoles Wi-Fi industriels tels que ProfiNET ou Profisafe et offre de nombreuses options d'E/S. La radio WL1837 Wi-Fi et Bluetooth/Bluetooth LE intégrée sur un module homologué existe également pour les appareils clients Linux et Android ou les applications de pont. Il combine des sections RF Bluetooth et 802.11 a/b/g/n, des amplificateurs de puissance, une horloge, des filtres RF, des commutateurs et des fonctions de gestion de la puissance, le tout dans un unique module MOC 100 broches.
Pour les communications sur de grandes distances géographiques, on utilise en général une technologie WAN sans fil (WWAN) sous une forme ou une autre. SigFox est un fournisseur émergent de réseau WAN basse consommation qui a entrepris la construction d'un réseau mondial de type cellulaire pour les appareils à bande ultra étroite (Ultra Narrow Band, ou UNB). Le provisionnement est extrêmement bon marché, les déploiements de très large envergure sont simples à exécuter et dispensent l'utilisateur de prévoir des plans de données ou des contrats pour chaque appareil. La taille des messages est limitée à 12 octets et les appareils ne peuvent pas dépasser 140 transmissions par jour, mais ils peuvent fonctionner de nombreuses années avec deux piles AA. La sécurité est quelque peu limitée en raison de la taille des messages, mais le système comprend des fonctionnalités qui interdisent la relecture et qui séquencent les messages. Le déploiement d'appareils SigFox est déjà largement entamé et TI offre deux solutions SigFox avec son transmetteur FR CC112x et le CC1190 de front-end RF. Le CC112x est un transmetteur sur une seule puce, à ultra faible consommation et hautes performances, capable de prendre en charge sept bandes ISM/SRD de 169 à 950 MHz avec des débits de données pouvant atteindre 200 kbps. Il comprend également une fonctionnalité améliorée de radio wake-on, des capacités d'accusé de réception des paquets et une fonction de retransmission. Le CC1190 est un front-end RF qui fonctionne entre 850 et 950 MHz et intègre un amplificateur faible bruit, un amplificateur de puissance, des commutateurs RF et des capacités d'adaptation RF, le tout sous un format QFN-16 compact de 4 x 4 mm.
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La LoRa WAN Alliance (Low Power WAN Alliance) offre encore une autre solution pour les appareils géographiquement éloignés. Celle-ci permet de transmettre de petites quantités de données de façon intermittente et les appareils compatibles, alimentés par pile, peuvent durer des années selon la catégorie du transmetteur à distance. Plusieurs niveaux de sécurité sont prévus pour garantir l'intégrité et la confidentialité des données. Cette technologie utilise également des fréquences souvent plus performantes pour traverser les bâtiments et les obstacles. Tout comme pour SigFox, les déploiements sont très peu onéreux, mais les fournisseurs commerciaux de LoRa peuvent offrir des niveaux de service fortement variables. Pour les entreprises qui cherchent à déployer un grand nombre d'appareils sur une zone relativement restreinte, il est possible d'intégrer au système une passerelle possédée et contrôlée en interne.
La connectivité cellulaire est une solution WAN bien implantée, répandue dans le monde entier. Les liaisons GSM et GPRS 2G sont l'une des sources de liaison les plus répandues, mais un grand nombre d'opérateurs de réseaux cellulaires hors d'Europe ont déjà mis hors service leurs réseaux 2G ou prévoient de le faire avant 2020. Pour les zones où ces réseaux seront conservés, la norme GSM 2G reste une méthode efficace et économe en énergie pour les communications intermittentes à distance ou les faibles débits de données. Le WiMAX a également été adopté sur les marchés où il existe, mais de nombreux réseaux passent au LTE ou ont déjà été désactivés. Le LTE est intéressant pour les appareils IoT à distance puisque des catégories de terminaux différentes peuvent adapter leurs besoins en bande passante et en puissance à l'application visée. Les appareils LTE existants de catégorie 3 peuvent offrir des vitesses théoriques pouvant atteindre 150 Mbps en descente et 50 Mbps en montée. Ceux de la catégorie 6 parviennent à 300 Mbps en descente lorsque les conditions sont idéales. À l'autre bout du spectre, les appareils LTE de catégorie 1 et ceux de la prochaine catégorie 0 (ou catégorie-M) sont conçus en vue de l'IoT et offrent un débit maximal de 1 à 10 Mbps, avec un rendement énergétique nettement supérieur. Bien que ces solutions WAN soient flexibles, elle présentent en général des coûts d'investissement et d'exploitation supérieurs. En outre, chacun des appareils placés dans le champ nécessite un contrat avec des opérateurs réseaux régionaux, si bien que le déploiement exige des efforts de planification et prend du temps.
Qu'il s'agisse de connexions radio à courte portée ou de scénarios de WAN distribué, TI a fait en sorte qu'il soit facile de répondre à des besoins de connectivité variés en offrant des dispositifs prêts à intégrer qui accélèrent le développement des produits et permettent de créer des solutions de communications industrielles sans fil économiques et à forte valeur ajoutée.
