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Techniques

Mise en réseau de capteurs sans fil pour l’Internet des objets industriel

Par Joy Weiss, Président, et Ross Yu, Directeur du marketing produit, Dust Networks Product Group, Linear Technology

Publication: 1er mai

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Il est question partout de l’Internet des objets industriel (IoT) et des besoins associés de connectivité sans fil pour les capteurs industriels...
 

Pour autant, les besoins de connexion en réseau des applications et des appareils industriels se distinguent des produits de grande consommation par l’importance capitale de la fiabilité et de la sécurité pour l’industrie. Cet article met en lumière les exigences essentielles spécifiques aux réseaux industriels de capteurs sans fil.

Introduction

L’avènement des processeurs, des capteurs basse consommation, des réseaux sans fil intelligents et des outils d’analyse du « Big Data » suscite un intérêt considérable pour l’Internet des objets industriel. Pour dire les choses simplement, l’association de ces technologies permet d’installer n’importe où d’innombrables capteurs. Et ce, à la fois là où se trouvent les infrastructures de communication et d’alimentation, mais aussi partout où il est possible de collecter une information intéressante pour connaître l’état d’un objet (comment), sa localisation (où) et sa nature (quoi). Le concept d’équiper de capteurs les « objets », comme par exemple les machines, les pompes, les pipelines et les wagons, n’est pas une nouveauté dans l’univers industriel. En effet, les capteurs et les réseaux spécialisés prolifèrent déjà dans les installations industrielles, depuis les raffineries pétrolières jusqu’aux lignes de fabrication. Historiquement, ces systèmes technologiques d’exploitation (OT) fonctionnent de longue date sous la forme de réseaux spécifiques, imposant un très haut niveau de fiabilité et de sécurité, impossible à égaler avec une technologie grand public. La rigueur de ces exigences se traduit par la sélection, parmi les technologies disponibles, de la mieux adaptée aux applications IoT industrielles vitales pour l’entreprise. En particulier, les modalités de mise en réseau de ces capteurs déterminent s’il est possible de les déployer de manière sûre, sécurisée et rentable dans les environnements agressifs, caractéristiques des applications industrielles. Cet article fait le point sur certaines de ces exigences essentielles, spécifiques aux réseaux industriels de capteurs sans fil.

Priorité à la fiabilité et à la sécurité

Contrairement aux applications grand public dans lesquelles le coût du système est souvent le critère le plus important, les applications industrielles accordent une importance capitale à la fiabilité et à la sécurité. Dans l’étude mondiale réalisée par la firme d’analyse OnWorld auprès des utilisateurs de réseaux industriels de capteurs sans fil, la fiabilité et la sécurité sont les deux questions les plus importantes citées. Il n’y a là rien de surprenant en considérant que la rentabilité d’une entreprise, la qualité et l’efficacité de ses activités pour produire des biens et la sécurité de ses employés tiennent souvent à ces réseaux. Ce qui explique pourquoi la fiabilité et la sécurité sont essentielles pour les réseaux industriels de capteurs sans fil.

La redondance est l’un des principes généraux indispensables pour la conception d’un réseau fiable, avec des mécanismes de basculement permettant aux systèmes de redémarrer sans perte de données en cas de problème éventuel. Dans un réseau de capteurs sans fil, il existe deux possibilités de tirer parti de cette redondance. Le premier cas s’appuie sur le concept de redondance spatiale. Dans cette approche, un noeud est associé à deux autres, avec lesquels il peut communiquer. En outre, un schéma de routage permet de relayer les données vers l’un ou l’autre des noeuds, mais elles atteignent tout de même leur destination finale. Un réseau maillé bien conçu – dans lequel chaque noeud peut communiquer avec un ou plusieurs noeuds adjacents – bénéficie d’une plus grande fiabilité qu’un réseau point à point, car il émet automatiquement les données par un autre chemin si le premier n’est pas disponible. Il est possible d’obtenir un deuxième niveau de redondance en utilisant plusieurs canaux disponibles dans le spectre des fréquences radio. Avec le concept de saut de canal, une paire de noeuds peut changer de canal à chaque transmission, ce qui lui permet d’éviter des problèmes temporaires avec un canal donné dans l’environnement évolutif et perturbé des radiofréquences, caractéristique des applications industrielles. Avec la norme IEEE 802.15.4 2.4GHz, 15 canaux à étalement de spectre sont disponibles, ce qui permet aux systèmes dotés du saut de canal une plus grande résilience que ceux qui en sont dépourvus (monocanal). Il existe plusieurs normes de réseaux maillés, notamment avec cette double redondance (spatiale, canaux), dits réseaux maillés à saut de canal et à synchronisation temporelle (TSCH), avec les normes IEC62591 (WirelessHART) et IETF 6TiSCH (à venir) (Réf. 2). Ces normes de réseaux maillés, qui utilisent les fréquences radio du spectre 2,4 GHz, accessible dans le monde entier et ne nécessitant pas d’autorisations, résultent des activités de la division Dust Networks® de Linear Technology, pionnier de l’utilisation des protocoles TSCH pour les appareils basse consommation aux ressources limitées, à partir de 2002, avec les produits SmartMesh®.

Le protocole TSCH est bien sûr une brique de construction essentielle pour la fiabilité des données dans les environnements perturbés pour les radiofréquences, mais la création et la maintenance d’un réseau maillé sont cruciales pour assurer un fonctionnement continu et sans problèmes pendant plusieurs années. Un réseau sans fil industriel doit souvent fonctionner pendant de nombreuses années et il sera soumis, tout au long de sa durée d’exploitation, à des problématiques de fréquences radio et à des exigences de transmission de données considérablement variées. D’où la nécessité d’un logiciel intelligent de gestion de réseau, ingrédient final indispensable pour assurer une fiabilité identique à celle des liaisons filaires. Ce logiciel permet d’optimiser dynamiquement la topologie du réseau, de contrôler en permanence la qualité des liaisons pour maximiser le débit, indépendamment des interférences et des évolutions de l’environnement des fréquences radio.

La sécurité est le deuxième critère essentiel pour les réseaux industriels de capteurs sans fil. Les principaux objectifs de sécurité dans un réseau industriel de capteurs sans fil sont les suivants :

- Confidentialité : hormis le destinataire prévu, personne ne peut lire les données transportées sur le réseau. Intégrité tout message reçu reçoit une confirmation certifiant qu’il est exactement identique au message émis, sans ajout, suppression ou modification du contenu.

- Authenticité : Un message affirmant provenir d’une source donnée provient effectivement de cette source. Si le temps intervient en partie dans le schéma d’authentification, l’authenticité protège également le réseau contre l’enregistrement et l’imitation d’un message. La réalisation de ces objectifs suppose l’intégration, dans un réseau industriel de capteurs sans fil, de technologies cruciales pour la sécurité, notamment le chiffrement renforcé (par exemple, AES128) avec des clés robustes et des générateurs de nombres aléatoires de qualité cryptographique pour prévenir les attaques par rejeu, les contrôles d’intégrité des messages (MIC) pour chaque message et les listes de contrôle d’accès (ACL) pour autoriser ou interdire explicitement l’accès à des appareils spécifiques. Il est possible d’intégrer facilement ces technologies de pointe dans la plupart des appareils utilisésaujourd’hui dans les réseaux industriels de capteurs sans fil, mais tous les produits et protocoles associés à ces réseaux ne comportent pas ces dispositifs. Gardez à l’esprit que relier un réseau industriel de capteurs sans fil sécurisé à une passerelle non sécurisée constitue un point de vulnérabilité supplémentaire, et que la sécurité de bout en bout doit être prise en compte dès la conception du système.

L’Internet des objets industriel n’est pas installé par des experts de la technologie sans fil

Pour l’essentiel, les secteurs d’activité existants intègrent les produits et services IoT industriels dans leurs produits de génération précédente, et leurs clients déploient leurs solutions dans des environnements conjuguant équipements neufs et anciens. L’intelligence inhérente aux réseaux industriels de capteurs sans fil doit seretrouver dans les produits IoT industriels pour assurer une transition fluide pour le personnel de terrain déjà en place. Les réseaux doivent se construire de manière autonome ce qui permet d’obtenir un réseau stable et opérationnel lorsque l’installateur quitte le site, d’éviter les interruptions de service grâce à un processus d’autoréparation en cas de déconnexion ou d’une mauvaise qualité de connexion, de produire automatiquement des rapports et d’émettre des diagnostics en cas d’interruptions de service, et d’éviter les interventions sur site coûteuses grâce à la quasi-disparition des activités de maintenance après déploiement. Le succès de la plupart des applications tient en partie à la possibilité de les déployer dans des zones difficiles ou dangereuses à atteindre, avec la nécessité de disposer d’appareils IoT fonctionnant sur pile ou batterie, et généralement pendant plus de 5 ans.

En outre, les systèmes doivent pouvoir être déployés à l’échelle mondiale puisque l’adoption de l’Internet des objets industriel par les utilisateurs intervient souvent à l’échelle de l’entreprise et nécessite une standardisation pour l’ensemble des sites. Fort heureusement, les normes radio relatives à l’industrie internationale répondant à ces exigences sont déjà en place, notamment la spécification IEEE 802.15.4e TSCH.

Des capteurs implantés partout

Pour les applications IoT industrielles, l’implantation précise d’un capteur ou d’un point de contrôle est critique. La technologie sans fil offre la possibilité de communications sans fil, mais si vous devez alimenter un noeud indépendant en le branchant ou en le rechargeant à intervalles de quelques heures ou quelques mois, le coût et l’impossibilité d’un déploiement deviennent prohibitifs. Pour prendre un exemple, ajouter des capteurs sur un équipement tournant actif pour contrôler son état est impossible avec des fils. Cependant, les connaissances acquises par un contrôle en cours de fonctionnement permettent aux clients d’assurer la maintenance prédictive de cet équipement critique, évitant ainsi des interruptions de fonctionnement indésirables et coûteuses. Pour assurer des déploiements flexibles et rentables, tout noeud d’un réseau industriel de capteurs sans fil doit être capable de fonctionner sur batterie pendant au moins cinq ans, car cette caractéristique offre à l’utilisateur une flexibilité extrême pour la gestion des applications IoT industrielles. Pour prendre un exemple d’un réseau industriel de capteurs sans fil utilisant le protocole TSCH, les produits SmartMesh de Linear Technology consomment largement moins de 50 μA, ce qui permet de manière très réaliste un fonctionnement pendant plusieurs années avec 2 piles ou batteries au format AA. Dans les environnements où existe une source fiable d’énergie récupérée, il est possible de faire fonctionner les noeuds sans limite dans le temps.

Le facteur temps est crucial

Les réseaux de surveillance et de contrôle industriels sont cruciaux pour l’entreprise. Leur rôle est essentiel pour les systèmes ayant un impact sur le coût de base de la production des biens, et la disponibilité des données dans les délais impartis est essentielle. Au cours de la dernière décennie, les systèmes déterministes de réseaux industriels de capteurs sans fil utilisant le protocole TSCH ont fait leurs preuves dans un large éventail d’applications de surveillance et de contrôle. Ces systèmes à créneaux temporels, notamment ceux compatibles avec la norme WirelessHART, assurent des transmissions de données horodatées et liées au temps. Dans ces réseaux, les noeuds qui nécessitent davantage de possibilités d’émissions de données se voient attribuer automatiquement davantage de créneaux temporels. Par ailleurs, il est possible d’assurer une transmission à faible latence sur le réseau en prévoyant plusieurs créneaux temporels pour les trajets successifs.

Cette coordination de la transmission des données améliore en outre considérablement la capacité à déployer des réseaux denses effectuant des transmissions fréquentes. Faute d’une grille temporelle, les réseaux sans fil n’utilisant pas le protocole TSCH s’effondreront sous l’effet d’un flot désordonné de trafic radio.

De plus, chaque paquet émis dans un réseau TSCH comporte un horodatage précis qui indique la date et l’heure de son émission. En outre, le temps réseau est également disponible sur chaque noeud pour coordonner, si nécessaire, les signaux de contrôle sur un réseau industriel de noeuds de capteurs sans fil. Ces données horodatées permettent un séquençage correct des informations par l’application, même si elles sont reçues dans le désordre, ce qui peut être utile pour diagnostiquer les causes et les effets précis de problèmes dans les applications industrielles qui imposent la consolidation de multiples capteurs.

La visibilité du fonctionnement du réseau est cruciale

Les réseaux industriels doivent fonctionner sans interruption pendant de nombreuses années. Mais malgré leur robustesse, ils peuvent rencontrer des problèmes. Tout au long de sa durée d’exploitation, différents facteurs environnementaux influent sur la qualité d’un réseau fonctionnant parfaitement lors de son installation. Les alertes précoces appropriées liées à ces problèmes constituent un aspect important de tout réseau industriel, et la capacité à les diagnostiquer et à les résoudre rapidement est essentielle pour la qualité du service. En matière de visibilité des indicateurs de gestion réseau, tous les réseaux industriels de capteurs sans fil ne se valent pas. Au minimum, un système de gestion de réseau industriel sans fil doit garantir la visibilité des éléments suivants :

- Qualité de la liaison sans fil, mesurée en termes de puissance en réception d’un signal reçu (RSSI).

- Taux de succès de bout en bout des paquets.

- Qualité du maillage, en mettant en évidence les noeuds n’offrant pas un nombre suffisant d’itinéraires alternatifs pour assurer la fiabilité du réseau.

- État du noeud et durée de vie des piles et batteries (le cas échéant).

Dans les installations industrielles les plus performantes, les réseaux intelligents résoudront ces problèmes en réacheminant automatiquement les données par des itinéraires alternatifs, tout en mettant en permanence à niveau la topologie pour maximiser la connectivité.

Les objets intelligents méritent des réseaux intelligents

Les acteurs du secteur accordent une attention considérable à doter les objets d’une intelligence toujours plusétendue, mais dan s une application IoT industrielle, l’intelligence ne se limite pas aux objets. Les réseaux IoT industriels doivent en effet utiliser des noeuds terminaux et des fonctionnalités intelligentes de gestion réseau et de sécurité similaires à celles offertes par les solutions les plus performantes des systèmes d’information et de contrôle opérationnel. Les réseaux doivent être largement configurables pour s’adapter aux besoins spécifiques des applications. Compte tenu des exigences de basse consommation liées à la durée de vie des batteries, il est nécessaire de prévoir une détection autonome des capacités d’alimentation sur le réseau et un routage intelligent pour maximiser la consommation d’énergie à l’échelle de l’ensemble du réseau. En outre, le réseau doit s’adapter automatiquement aux changements affectant l’environnement des fréquences radio pour favoriser une évolution dynamique de la topologie. Outre la sécurité, la gestion réseau et l’optimisation du routage, la solution SmartMesh Network Manager de Linear Technology apporte aux utilisateurs les moyens de reprogrammer les noeuds hertziens, le cas échéant, offrant ainsi une démarche possible de mise à niveau pour proposer dans le futur de nouvelles fonctionnalités en fonction de l’évolution des besoins des clients

Conclusion

L’Internet des objets est un véritable phénomène industriel, caractérisé par des dynamiques métier précises et un retour sur investissement (ROI) attractif. Pour ces applications cruciales pour les entreprises, les réseaux industriels de capteurs sans fil doivent hausser le niveau d’exigence afin d’assurer des opérations sans fil intelligentes, sécurisées et fiables pendant plusieurs années. Ces exigences rigoureuses peuvent s’appuyer sur des normes de réseaux maillés sans fil existantes ou émergentes, appelées à devenir des briques de constructions essentielles pour permettre aux industriels, dans cette nouvelle ère de l’Internet des objets industriel, de transformer leurs entreprises et leurs services.

http://www.linear.com/

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