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Réseaux sans fil pour usines du futur

Par Peter Lieberwirth, Vice President, Toshiba Electronics Europe

Publication: 17 novembre

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Industry 4.0 stimule la demande en faveur de transferts de données sans fil, à la fois robustes, fiables et sécurisés...
 

Qu’il s’agisse de communiquer entre eux, vers des appareils mobiles ou vers le Cloud - ou d’une combinaison de tout cela - il est de plus en plus nécessaire de connecter des équipements industriels en environnement de production Et, alors que les réseaux filaires restent encore dominants, les avantages en termes de praticité, de souplesse et de mise en œuvre rapide de nouvelles architectures innovantes, alimentent une demande croissante en faveur des solutions sans fil. En effet, on estime que dans le secteur des réseaux industriels, les technologies sans fil, qui représentent actuellement environ 6% du marché, progressent à un rythme annuel d’environ 32%. Et cette croissance devrait se poursuivre dans le cadre de la transition vers le monde de l’Industrie 4.0, qui s’appuie sur la technologie IIoT (Industrial Internet of Things, ou Internet des objets industriels), dans lequel le transfert sécurisé et fiable de données au sein d’espaces de travail industriels n’ a jamais été aussi important.

Les normes sans fil déployées dans les usines aujourd’hui pour accéder aux services ou connecter des équipements et des accessoires, sont notamment : Wi-Fi, Bluetooth®, Bluetooth Low-Energy, ZigBee et Near-Field Communication (NFC). Chacune de ces normes a ses forces et ses faiblesses, qui définissent plus ou moins les rôles pour lesquels elles conviennent.

Sans surprise, le Wi-Fi est le plus répandu, notamment parce qu’il permet de connecter un grand nombre d’appareils sur le même réseau, et aussi de s’étendre jusqu’à plusieurs dizaines de mètres de chaque point d’accès. Les débits de données maximum sont de 54 Mbits/s pour IEEE 802.11g, 72 Mbits/s jusqu’ à un maximum théorique de 600 Mbits/s pour IEEE 802.11n, ou d’environ 500 Mbits/s jusqu’à plus de 1 Gbits/s avec IEEE 802.11ac dans la bande 5 GHz. Les volumes de transfert ne sont pas limités, l’accès est généralement gratuit et la mise en place d’un réseau Wi-Fi privé est facile. Parmi les inconvénients, on notera qu’un mot de passe suffit pour rejoindre un réseau Wi-Fi sécurisé, alors que les réseaux non-sécurisés sont vulnérables aux accès non-autorisés. Toutes les données passent par le point d’accès, qui représente donc un point de vulnérabilité potentielle, et les appareils connectés au réseau ne peuvent pas communiquer directement entre eux. En outre, bien que le débit de données nominal soit élevé, ce qui fait du Wi-Fi une option puissante pour les tâches gourmandes en données comme le partage de fichiers volumineux ou de contenus multimédias, le débit réel peut se trouver réduit en fonction du nombre d’appareils connectés au réseau. En outre, la forte consommation d’énergie signifie que le Wi-Fi n’est pas idéal pour les appareils alimentés par batterie, qui sont au cœur de l’IoT, en particulier lorsque très peu de données doivent être échangées.

En ce qui concerne les technologies sans fil à courte portée, les deux principales sont ZigBee et Bluetooth. ZigBee a été adopté dans le domaine industriel, notamment en raison de son faible coût et de sa capacité à fournir des communications "maillées" ou multiples ("many-to-many").. Cependant, l’évolution constante de la norme Bluetooth - y compris, maintenant, sa capacité à prendre en charge les réseaux maillés - signifie que Bluetooth, et en particulier les implémentations Bluetooth Low Energy (BLE), gagnent en popularité. Parmi les avantages que les partisans de Bluetooth revendiquent, citons les vitesses de transmission et une meilleure efficacité de codage, la possibilité d’implémenter des solutions basse-consommation, et une plus forte résilience dans les environnements RF "bruyants".

Maillage et balises Bluetooth

Bluetooth standard a une portée sans fil d’environ 10 mètres et est conçu pour des communications directes point-à-point entre appareils, ou pour des liaisons point-multipoints. Toutefois, la vitesse de transmission est limitée à 1 Mbits/s et les appareils doivent être appariés avant que la communication ne puisse démarrer. L’échange de données via Bluetooth nécessite moins d’énergie que le Wi-Fi, tandis que BLE - qui est conçu pour connecter de petits périphériques comme des terminaux IoT - consomme encore moins d’énergie et offre une portée supérieure.

Bluetooth Mesh est une capacité de communication "m:m" (many-to-many, ou multipoints-multipoints) optimisée pour les réseaux comportant un grand nombre de noeuds. Selon Bluetooth SIG (Special Interest Group, ou groupement économique), l’automatisation industrielle représente une opportunité majeure pour les réseaux maillés sans fil, car elle peut fournir des solutions de qualité industrielle répondant aux questions clé de fiabilité, d’évolutivité et de sécurité. La fiabilité tient au fait que les réseaux maillés sont intrinsèquement auto-réparables et ne présentent pas de point de défaillance unique, tandis que leur évolutivité est assurée puisque des milliers de nœuds peuvent être pris en charge avec des performances de niveau industriel. En outre, les réseaux maillés peuvent fournir une sécurité de niveau industriel contre toutes les attaques connues.

Les réseaux maillés Bluetooth peuvent étendre la portée de communication effective et relever le défi de la communication à travers des obstacles physiques, tout en maintenant une faible consommation d’énergie au niveau des différents nœuds. Auparavant, les transmissions haute-puissance constituaient la principale technique pour traiter les problèmes d’interférences radioélectriques en environnement industriel, ou de transmission de signaux à travers des obstacles comme des murs en béton épais. Cette approche présentait de sérieuses limitations et s’est révélée inefficace avec les appareils fonctionnant sur batterie ou dans le cas d’environnements RF très hostiles.

En prenant en charge la nouvelle norme Bluetooth Mesh, les produits BLE peuvent transmettre des messages en privé et en toute sécurité, via un réseau maillé, sans nécessiter de connexion point-à-point entre appareils. Ceci augmente la portée et la fiabilité des communications BLE, sans nécessiter davantage de puissance.

Bluetooth est également la clé pour les "balises", autre solution de communication sans fil de plus en plus utilisée en environnement industriel.

Les balises Bluetooth tirent parti de la faible consommation et de l’omniprésence mondiale de la technologie BLE pour fonctionner de manière autonome pendant de longues périodes ; et pour diffuser de petites quantités d’informations vers des appareils mobiles ou d’autres balises à proximité. Typiquement, la charge correspondant au message est très faible, juste assez pour partager une URL ou un emplacement. Une balise Bluetooth peut être placée quasiment n’importe où, et diffuser sa présence et son identité vers les dispositifs Bluetooth à proximité. Les données peuvent être incluses à la transmission, ce qui permet au dispositif récepteur - en général un smartphone ou une tablette - de réagir de différentes manières. Il peut s’agir de capturer certaines informations comme quelques octets de données capteur contenues dans le message de la balise, ou de lancer une application résidant sur le périphérique de réception. L’équipement de réception peut également décider comment il doit réagir, en fonction par exemple de l’intensité du signal reçu. Un appareil mobile peut classer par ordre de priorité les messages de plusieurs balises en fonction de leur proximité, par exemple, ou un petit robot mobile peut utiliser les données de puissance de signal pour s’orienter.

La technologie de balise peut être utilisée de différentes façons dans les environnements industriels ou d’automatisation. Les véhicules autonomes, par exemple, peuvent se déplacer dans les usines en suivant les signaux des balises, ce qui évite le recours à des voies spécialisées coûteuses ou à des capteurs de vision embarqués associés à des logiciels de guidage complexes. Une balise fixée sur des composants comme des outillages coûteux permet de retrouver ces objets à des distances jusqu’à 100 mètres grâce à une application de téléphonie mobile, ou peut servir de base pour déclencher une alarme si la distance dépasse un seuil pré-établi. S’agissant d’entreposage ou de logistique, des balises peuvent être fixées sur les articles en stock ou sur les colis dans un camion de livraison, et ainsi permettre au personnel de les identifier à l’aide d’un appareil portable.

NFC

NFC utilise des technologies développées à l’origine des systèmes RFID pour la gestion de chaîne d’approvisionnement, et fonctionne dans la bande de fréquence 13,56 MHz. La portée de communication est extrêmement courte (quelques centimètres seulement) et le dispositif de lecture ne communique qu’avec le dispositif à proximité et seulement pendant qu’il est à portée. Puisqu’aucun couplage n’est nécessaire, les liaisons peuvent être établies rapidement sans interaction préalable.

D’autres avantages en termes de sécurité en environnement industriel peuvent être obtenus en utilisant simultanément Bluetooth et NFC. L’appariement OoB (Out of Band, ou hors-bande) par exemple, combine la sécurité inhérente au NFC pour établir la connexion initiale et les communications Bluetooth ouvertes, faible-consommation, pour prendre en charge le transfert de données. Cela permet d’éviter les risques des scénarios d’écoute clandestine "par intermédiaire humain" et empêche les dispositifs indésirables de se connecter à l’insu ou sans autorisation de l’utilisateur.

Mise en œuvre de projets industriels sans fil

Qu’il s’agisse de Wi-Fi, de Bluetooth, de NFC ou d’une combinaison de ces protocoles, les communications sans fil industrielles offrent un certain nombre d’avantages. Établir des connexions entre pièces mobiles par exemple, est beaucoup plus facile sans fil, et communiquer à travers des obstacles comme des murs ou des fenêtres d’observation est également plus facile sans fil. En même temps, le nombre considérable de nœuds susceptibles de devoir communiquer dans les futures architectures Industry 4.0 rend le câblage de chaque périphérique de plus en plus difficile.

La bonne nouvelle est que le déploiement de projets industriels sans fil est grandement simplifié par la disponibilité de semi-conducteurs spécialement conçus pour fournir les fonctionnalités exigées par l’IIoT (Internet des objets industriels). Bon nombre des derniers circuits intégrés Bluetooth Low Energy, par exemple - y compris ceux prenant en charge la norme 5.0 la plus récente - intègrent déjà la prise en charge des réseaux maillés, tandis que des dispositifs combinant les fonctionnalités Bluetooth et NFC sur une même puce sont également disponibles. Des balises peuvent être développées rapidement à l’aide de solutions très intégrées combinant bande de base BLE et blocs RF, cœurs CPU ARM® et périphériques dans un même dispositif. Et, dans la plupart des cas, cette technologie semi-conductrice est facilitée par la disponibilité de logiciels d’application, de modèles de référence et de kits de développement, qui accélèrent la conception et la mise en œuvre.

http://toshiba.semicon-storage.com/

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