Déployer une connectivité sans fil sécurisée et robuste pour les systèmes électriques et énergétiques intelligents

Les communications sans fil, y compris les réseaux locaux et la connectivité cloud, constituent un aspect essentiel dans de nombreux systèmes électriques et énergétiques intelligents, notamment les compteurs d'énergie, les infrastructures critiques, les systèmes d'énergie verte, les véhicules électriques, la modernisation du réseau électrique, le réseau électrique intelligent et les villes intelligentes. Ces applications impliquent souvent une connectivité en périphérie et requièrent des communications à faible latence, prévisibles et sécurisées, pouvant être prises en charge par les protocoles IEEE 802.15.4, Zigbee, Bluetooth et autres. Dans certains cas, elles peuvent bénéficier d'un protocole sans fil, haut débit et basse consommation comme la norme IEEE 802.11 g/n qui fournit un accès réseau à haut débit dans un rayon d'environ 300 mètres en extérieur.

De plus, ces dispositifs sans fil doivent répondre aux normes de la FCC (Federal Communications Commission) aux États-Unis, aux exigences de l'ETSI (Institut européen des normes de télécommunications) et aux normes EN 300 328 et EN 62368-1 en Europe, aux initiatives de l'ISDE (Innovation, Sciences et Développement économique) au Canada, aux exigences du ministère des Affaires intérieures et des Communications (MIC) au Japon, et plus. La conception de la connectivité sans fil et l'obtention des certifications nécessaires peuvent prendre du temps, ce qui se traduit par une augmentation des coûts et un allongement des délais de mise sur le marché. Alternativement, les concepteurs peuvent se tourner vers des plateformes de développement et des modules de communications sans fil pré-développés et certifiés, qui peuvent être facilement intégrés dans des dispositifs d'alimentation et d'énergie intelligents.

Cet article passe tout d'abord en revue plusieurs options et architectures de communications pour les réseaux locaux et la connectivité cloud, notamment des options de réseau filaire et sans fil. Il présente ensuite plusieurs plateformes sans fil de Digi, Silicon Labs, Laird Connectivity, Infineon et STMicroelectronics pour le déploiement d'une connectivité sans fil sécurisée et robuste pour les systèmes électriques et énergétiques intelligents, y compris des environnements de développement pour accélérer le processus de conception.

Opportunités et défis de taille

Les grands défis s'accompagnent souvent de grandes opportunités. C'est certainement le cas lorsqu'il s'agit de déployer des systèmes électriques et énergétiques intelligents dans les infrastructures de villes intelligentes. Tout d'abord, il est nécessaire d'intégrer efficacement les infrastructures existantes et vieillissantes. Ensuite, il faut déployer des réseaux géographiquement dispersés et technologiquement hétérogènes, qui soient à la fois efficaces et robustes. Enfin, ces réseaux doivent être suffisamment flexibles pour faire face aux évolutions technologiques futures, telles que l'émergence des véhicules intelligents et connectés.

Par exemple, les systèmes avancés de gestion automatisée du trafic peuvent renforcer la sécurité, améliorer la consommation d'énergie et réduire l'impact environnemental des voitures, des bus et d'autres véhicules. Dans ce cas, le système centralisé de gestion du trafic est connecté au réseau via des communications sans fil et fibre à large bande passante. D'autres éléments du système peuvent inclure (Figure 1) :

• Routeurs Ethernet et cellulaires prenant en charge les dispositifs compatibles IP au niveau local. Dans certains cas, l'alimentation Power over Ethernet (PoE) est ajoutée pour étendre l'utilité du réseau et contrôler les coûts.
• Les équipements existants peuvent être intégrés via des connexions dédiées et des ports série.
• Les dispositifs locaux Wi-Fi et Bluetooth peuvent surveiller la densité du trafic et les piétons à l'aide de données anonymisées. Les données résultantes peuvent être analysées localement et envoyées au système central de gestion du trafic pour la prise de décision et des fonctions de contrôle de niveau supérieur.
• Une combinaison de caméras de circulation, de capteurs tels que radar ou lidar, et d'autres sources de données est utilisée par les contrôleurs ASTC (Advanced Solid State Traffic Controller) locaux et transmise au centre de gestion centralisé pour l'optimisation en temps réel des flux de circulation.

Figure 1 : La gestion automatisée du trafic dans une ville intelligente s'étend de la détection Wi-Fi des piétons et des véhicules aux caméras de circulation et aux contrôleurs ASTC, en passant par une gestion et un contrôle centralisés du trafic. (Source de l'image : Digi)

Le rendement énergétique global, la sécurité publique et l'impact environnemental des routes urbaines peuvent être améliorés comme suit :

• Détecter et minimiser la congestion en modifiant les flux de trafic et la synchronisation des signaux en temps quasi réel avec une combinaison de contrôles locaux et centralisés.
• Ajuster la synchronisation des signaux pour permettre aux bus et aux autres formes de transports en commun de circuler de manière efficace et dans le respect des horaires.
• Les premiers intervenants peuvent recevoir un itinéraire optimisé en temps réel afin d'accélérer leur arrivée et de minimiser l'impact global sur la sécurité publique.

Les villes intelligentes du futur

Les villes intelligentes d'aujourd'hui sont encore en grande partie un travail en cours. Les possibilités d'amélioration et de progrès sont nombreuses. Les futures villes intelligentes se concentreront de plus en plus sur le rendement énergétique intégré et l'amélioration de la qualité de vie. Les véhicules électriques et les véhicules intelligents ou autonomes deviendront la norme. Ils seront intégrés aux logements intelligents, aux infrastructures de recharge intelligentes, aux systèmes de livraison intelligents et aux systèmes de transports de bout en bout, y compris les trains, les métros légers et les bus, ainsi que les robotaxis électriques pour le « dernier kilomètre ».

Les citoyens utiliseront leurs smartphones à des fins de plus en plus variées, par exemple pour acheter des billets de bus et de train, ce qui accélérera le processus et réduira davantage l'impact environnemental des transports. Si le transport restera la principale utilisation des véhicules électriques, ce n'est pas la seule.

Selon Infineon, les véhicules commerciaux tels que les camions, les bus, les camionnettes de transport et de livraison et les engins de chantier sont responsables d'environ un quart des émissions de CO₂ dans une ville et d'environ 5 % des émissions globales de gaz à effet de serre (GES). Des infrastructures de charge intégrées devront être développées pour accueillir les batteries plus volumineuses de ces véhicules commerciaux, en plus de la charge des véhicules de tourisme et des vélos électriques. L'infrastructure de charge devra être interconnectée et contrôlée de manière centralisée afin d'optimiser la vitesse de charge pour les divers types de véhicules et leurs cas d'utilisation.

Pour réduire l'impact sur l'environnement, améliorer la qualité de vie et utiliser l'énergie de manière efficace, des réseaux sans fil complexes en temps réel seront nécessaires pour surveiller le fonctionnement des sources d'énergie renouvelables dispersées, des micro-réseaux et du stockage d'énergie, optimiser l'utilisation de l'énergie, gérer l'utilisation de l'eau et des eaux usées et gérer un large éventail de systèmes de transports et autres. Ces réseaux en temps réel doivent être robustes et présenter des latences minimales (Figure 2). Pour soutenir l'infrastructure des villes intelligentes, les concepteurs ont besoin d'outils qui permettent le développement, le déploiement et la mise à jour rapides de réseaux de communications complexes et de dispositifs connectés.

Figure 2 : Les services des villes intelligentes s'appuieront sur des réseaux sans fil en temps réel robustes pour connecter diverses applications. (Source de l'image : Infineon)

Réseau sécurisé avec modules sans fil

Pour déployer rapidement un réseau sécurisé, les concepteurs peuvent se tourner vers les modules sans fil XBee RR de Digi, basés sur le système sur puce (SoC) sans fil EFR32MG21B020F1024IM32-BR de Silicon Labs qui comprend un cœur ARM Cortex-M33 de 80 MHz et un sous-système de sécurité intégré. Les modules XBee exploitent plusieurs protocoles sans fil et bandes de fréquences comme Zigbee, 802.15.4 et DigiMesh, ainsi que Bluetooth Low Energy (BLE) pour prendre en charge diverses architectures de réseaux. DigiMesh est un protocole de réseau maillé poste-à-poste qui peut réduire la complexité d'utilisation de Zigbee pour les configurations point-à-multipoint. Ces modules prennent en charge BLE et la connexion à un autre dispositif BLE.

Les connexions smartphones peuvent être utilisées pour configurer et programmer les modules à l'aide de l'application mobile XBee. De plus, les développeurs peuvent utiliser la plateforme de configuration XCTU compatible avec Windows, MacOS et Linux. XCTU utilise une vue graphique du réseau pour simplifier la configuration du réseau sans fil et un outil de développement API Frame Builder pour construire rapidement des trames API XBee. Les autres fonctionnalités et options des modules incluent :

• Les options de conditionnement comprennent des dispositifs à micro-montage de 13 millimètres (mm) x 19 mm comme le XBRR-24Z8UM, des modules à montage en surface comme le XBRR-24Z8PS-J, et des configurations traversantes comme le XBRR-24Z8ST-J (Figure 3)
• La version PRO est certifiée FCC pour une utilisation en Amérique du Nord, et la version standard répond aux normes ETSI pour une utilisation en Europe
• Configurations de modules basse consommation et haute puissance
• Portée intérieure/urbaine jusqu'à 90 mètres (m), selon les conditions
• Selon les conditions, la portée extérieure en visibilité directe peut atteindre 3200 m
• L'application de sécurité IoT intégrée simplifie l'intégration de la sécurité des dispositifs, l'identité des dispositifs et la confidentialité des données

Figure 3 : Les options de conditionnement des modules sans fil Digi XBee incluent le micro-montage (à gauche), le montage en surface (au centre) et le montage traversant (à droite). (Source de l'image : DigiKey)

Passerelles intelligentes

Les modules Sterling LWB+ de Laird Connectivity, comme le 453-00084R, sont des modules combo Bluetooth et WLAN 2,4 GHz hautes performances, conçus pour les dispositifs IoT sans fil et les passerelles intelligentes. Ils sont basés sur le circuit intégré radio monopuce AIROC CYW43439 d'Infineon et présentent une plage de températures de fonctionnement de -40°C à +85°C, ce qui les rend adaptés à une gamme d'applications de services publics, d'énergie et de villes intelligentes. Les modules Sterling LWB+ bénéficient de certifications internationales, notamment FCC, ISDE, UE, MIC et AS/NZS.

Les modules Sterling LWB+ incluent le contrôle d'accès au support (MAC), la bande de base et la radio, ainsi qu'un UART haute vitesse indépendant pour les interfaces Bluetooth. Laird Connectivity et Infineon prennent en charge les derniers pilotes Android et Linux. L'antenne monopuce intégrée résiste au désaccord et simplifie la conception et la fabrication des systèmes. La série Sterling LWB+ est un système en boîtier (SIP), disponible avec une broche de piste, une antenne monopuce intégrée ou un connecteur MHF4. Elle inclut également le chiffrement WPA/WPA2/WPA3. Ces modules sont disponibles en quatre styles de boîtiers afin de répondre aux besoins des différents systèmes et aux exigences applicatives (Figure 4).

Figure 4 : SIP Sterling LWB+ de base (à gauche), module avec connecteur MHF (deuxième à partir de la gauche), module avec antenne intégrée (troisième à partir de la gauche) et connecteur de carte enfichable (à droite). (Source de l'image : Laird Connectivity)

Le Sterling LWB+ comprend une entrée et une sortie numériques sécurisées (SDIO) hautes performances permettant l'intégration aisée avec n'importe quel système basé sur Linux ou Android. Pour accélérer le développement de dispositifs IoT sans fil et de passerelles intelligentes, les concepteurs peuvent se tourner vers le kit de développement 453-00084-K1, qui inclut le module 453-00084R avec un connecteur MHF intégré (Figure 5).

Figure 5 : Cette carte de développement inclut le module Sterling LWB+ 453-00084R de Laird avec un connecteur MHF intégré. (Source de l'image : Laird Connectivity).

Nœuds de capteurs sans fil de grade industriel

Les nœuds de capteurs sans fil constituent une partie importante des systèmes électriques et énergétiques intelligents dans les villes intelligentes. Pour aider les concepteurs à faire face à la complexité de conception, de prototypage et de tests rapides de nœuds de capteurs sans fil avancés, STMicroelectronics propose la conception de référence et le kit de développement SensorTile STEVAL-STWINKT1B. Le kit inclut une carte d'extension X-NUCLEO-SAFEA1A prenant en charge l'authentification des dispositifs IoT et la gestion sécurisée des données, un module émetteur-récepteur Bluetooth BLUENRG-M2SA et un microphone MEMS IMP23ABSUTR. Le microphone MEMS est conçu pour être utilisé avec le microcontrôleur embarqué ultrabasse consommation pour l'analyse vibratoire des données de détection de mouvement à 9 degrés de liberté (DoF) sur une large gamme de fréquences de vibration s'étendant de 35 Hz jusqu'aux ultrasons. Il comprend également un accéléromètre, un gyroscope, un capteur d'humidité, un magnétomètre et des capteurs de pression et de température.

Le kit de développement SensorTile inclut l'accès à un ensemble de progiciels, de bibliothèques micrologicielles et d'applications de tableau de bord cloud pour accélérer le développement de systèmes de capteurs IoT complets de bout en bout. Un module intégré fournit la connectivité BLE, l'émetteur-récepteur RS484 prend en charge les connexions filaires, et la carte d'extension plug-in STEVAL-STWINWFV1 offre la connectivité Wi-Fi. La carte mère inclut un connecteur STMod+ permettant d'ajouter des cartes filles à facteur de forme compact, basées sur la gamme de microcontrôleurs STM32. Enfin, le kit de développement se compose d'une batterie Li-polymère de 480 mAh, d'une sonde autonome de débogage et de programmation STLINK-V3MINI et d'une boîte en plastique (Figure 6).

Figure 6 : La conception de référence et le kit de développement SensorTile STEVAL-STWINKT1B incluent une suite complète de capteurs environnementaux et prennent en charge plusieurs options de connectivité. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Résumé

Une série de protocoles de connectivité sans fil est requise pour répondre aux besoins des systèmes électriques et énergétiques intelligents dans les villes intelligentes. Ces systèmes peuvent améliorer le rendement énergétique et la sécurité publique, favoriser une utilisation plus efficace de l'eau et de l'énergie, et réduire les émissions de CO₂ et de GES. Comme illustré, il existe une variété de modules sans fil et d'environnements de développement pour les protocoles sans fil Wi-Fi, Zigbee et Bluetooth Low Energy, capables de fournir la connectivité sécurisée et robuste nécessaire pour les systèmes électriques et énergétiques intelligents dans les infrastructures de villes intelligentes.