Implémenter rapidement un point d'extrémité cellulaire IoT industriel à distance à l'aide d'un routeur et d'un microcontrôleur LTE

À mesure que les applications Internet des objets (IoT) se développent, la portée de leurs réseaux associés doit également s'étendre. Alors que les technologies Wi-Fi, Bluetooth et Zigbee peuvent être disponibles pour une mise en réseau sans fil pratique à proximité ou à l'intérieur d'un site industriel, certains réseaux IoT industriel (IIoT) nécessitent une surveillance à distance et un contrôle sur le terrain des systèmes pouvant se trouver à des kilomètres ou être très dispersés, souvent dans des endroits difficiles d'accès pour les techniciens de maintenance. Dans ces situations, la mise en réseau cellulaire est la meilleure solution sans fil.

Cet article explique la nécessité d'une surveillance et d'un contrôle à distance des données via un réseau cellulaire dans certaines applications IIoT situées à des kilomètres et décrit les avantages d'un nœud IIoT distant qui doit permettre d'économiser l'énergie avec peu ou pas de maintenance. Il présente ensuite un microcontrôleur cellulaire de Nordic Semiconductor qui peut transmettre des données via un réseau LTE à un routeur cellulaire monté sur rail DIN de Phoenix Contact.

Mise en réseau IIoT étendue

Les réseaux IIoT conventionnels sont installés à un emplacement unique, par exemple dans une usine de fabrication, un entrepôt automatisé ou un parc extérieur. La mise en réseau vers le concentrateur peut être câblée comme avec l'Ethernet industriel, ou sans fil comme avec Wi-Fi ou Zigbee. La gestion est aisée à partir d'un emplacement central offrant l'accès à l'emplacement des points d'extrémité du réseau IIoT, permettant des opérations de maintenance ou de remplacement efficaces.

Avec l'expansion de l'IIoT, les cas d'utilisation se multiplient. Pour une efficacité accrue et un contrôle immédiat des réseaux, les responsables de sites doivent surveiller et contrôler activement les systèmes à distance avec une latence minimale entre le système à distance et le concentrateur du site principal. Les systèmes de transports tels que les trains, les métros et les camions longue distance peuvent bénéficier de divers capteurs qui surveillent le moteur, la consommation de carburant et d'énergie, la vitesse et la distance, et du positionnement GPS pour suivre la localisation et estimer le temps nécessaire pour arriver à destination. Ces données sont envoyées au site principal ou au siège social de l'entreprise et analysées. Les données peuvent être utilisées presque immédiatement pour gagner du temps et de l'argent en améliorant l'efficacité et en prévenant les pannes, ce qui permet de réduire les coûts tout en augmentant la fiabilité.

Les oléoducs et gazoducs bénéficient de la mise en réseau IIoT en surveillant le volume et la pression dans le pipeline, ainsi que les conditions environnementales telles que la température, la pression barométrique et l'humidité. La surveillance par localisation GPS de précision ainsi que les capteurs de vibrations et les gyroscopes peuvent détecter les mouvements sur le pipeline dus à des forces externes telles que des événements sismiques. Dans certains cas, le flux dans le pipeline peut être limité ou stoppé à distance en réponse à une situation d'urgence détectée, comme un tremblement de terre. L'équipement peut effectuer des autodiagnostics et les résultats sont envoyés à l'usine pour analyse. Comme ces pipelines peuvent être situés à plusieurs milliers de kilomètres du site principal dans des environnements difficiles comme le cercle arctique, il est important que le point d'extrémité dispose d'un réseau de communication totalement fiable.

Entrer dans l'IoT cellulaire

Pour répondre à ces besoins, la mise en réseau IIoT s'est étendue pour envoyer des données sur les réseaux cellulaires à évolution à long terme (LTE) existants. Cela permet de placer un point d'extrémité IIoT quasiment n'importe tout où la connectivité LTE est disponible, à condition qu'une source d'alimentation puisse être appliquée et maintenue, avec l'avantage supplémentaire que le coût et les efforts de maintenance du réseau cellulaire sont à la charge des opérateurs mobiles. Comme ces systèmes peuvent être situés dans des endroits éloignés, non surveillés et difficiles d'accès, le point d'extrémité IIoT cellulaire distant doit être fiable et résistant au piratage ou à l'altération physique.

La première étape vers un système embarqué fiable pour l'IIoT est de garder le système simple tout en minimisant la consommation. La simplicité du système permet de réduire le nombre de points de défaillance. La réduction de la consommation d'énergie améliore la fiabilité en réduisant la chaleur, ce qui étend la durée de vie de la plupart des dispositifs à semi-conducteurs, et améliore également la durée de vie des batteries des points d'extrémité IIoT alimentés par batterie.

Pour répondre à ces exigences, Nordic Semiconductor a lancé le microcontrôleur IoT cellulaire LTE nRF9160. Le nRF9160 simplifie le développement des points d'extrémité IIoT cellulaires en intégrant un modem LTE sur puce complet, conforme aux dernières normes de données IoT cellulaires et machine-à-machine (M2M) (Figure 1).

<Figure 1 : Le microcontrôleur cellulaire LTE nRF9160 de Nordic Semiconductor est basé sur le cœur Arm® Cortex®-M33. Il dispose de tous les périphériques nécessaires pour construire un point d'extrémité IoT cellulaire, y compris un modem LTE et un module GPS. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Le nRF9160 de Nordic Semiconductor est basé sur un cœur de processeur Arm Cortex-M33 de 64 mégahertz (MHz), qui cible spécifiquement les applications IoT basse consommation. Le Cortex-M33 prend en charge les opérations MAC (multiplier et accumuler) à cycle unique et dispose d'instructions FPU (unité en virgule flottante) de précision unique, d'une division matérielle et d'opérations SIMD (instruction unique, données multiples). Cela est utile pour le traitement rapide des données de capteurs comme dans les calculs de fusion de capteurs. Le Cortex-M33 est hautement déterministe, même lorsqu'il entre et sort des modes basse consommation, avec un support pour un fonctionnement en temps réel.

Le microcontrôleur nRF9160 offre 1 mégaoctet (Mo) de mémoire Flash sur puce pour les micrologiciels d'application et 256 kilo-octets (Ko) de RAM à faible fuite. Il présente un sous-système Arm TrustZone pour les opérations cryptographiques, y compris le cryptage AES, un générateur de nombres véritablement aléatoires (TRNG) et la gestion sécurisée des mots de passe. Cela est utile pour vérifier les communications de données cryptées et la détection des altérations de micrologiciels. Les interfaces série sur puce standard incluent les ports UART, SPI et I²C pour l'interfaçage avec des capteurs et des actionneurs externes. Un convertisseur analogique-numérique (CAN) natif à 8 canaux de 12 bits (14 bits avec suréchantillonnage) est utile pour la lecture des capteurs analogiques.

Le nRF9160 est également équipé d'un récepteur GPS intégré, optimisé pour les points d'extrémité IoT basse consommation. Cela est particulièrement utile pour les points d'extrémité mobiles tels que les camions et les trains. Cela est également utile pour les systèmes qui peuvent bouger involontairement en raison de l'activité sismique, ou pour détecter un mouvement intentionnel si le point d'extrémité est monté sur un dispositif mobile tel qu'un équipement robotique. Le récepteur GPS partage l'émetteur-récepteur RF sur puce avec le modem LTE. Si le modem LTE et le récepteur GPS sont tous les deux actifs, l'émetteur-récepteur RF partagé est multiplexé dans le temps avec le module GPS et le modem LTE, la priorité étant donnée au modem LTE.

Le modem LTE du nRF9160 est constitué d'un processeur de contrôle hôte avec mémoires Flash et RAM dédiées, d'un processeur de bande de base, d'un émetteur-récepteur RF avec broche d'antenne externe de 50 ohms (Ω) et d'une interface de carte SIM. Pour une fiabilité accrue des communications, le modem LTE dispose de ses propres diagnostics et de sa propre détection des défaillances. Le modem LTE prend en charge les protocoles de communications de données IoT et M2M basse consommation, notamment Cat-M1, Cat-NB1 et Cat-NB2.

Pour échanger des données sur un réseau LTE, le modem LTE requiert une carte SIM standard contenant le réseau sans fil, le numéro de téléphone et les informations sur l'abonné. Le processeur hôte LTE nRF9160 est doté d'une interface UICC externe, également appelée interface de carte SIM, pour la connexion à toute carte SIM activée compatible avec les normes de transmission de données LTE-M ou NB-IoT (IoT à bande étroite).

Chaque point d'extrémité LTE nRF9160 nécessitera l'achat d'une carte SIM avec un forfait de données approprié auprès d'un opérateur mobile. DigiKey propose des cartes SIM et des forfaits de données mobiles pour les dispositifs IoT en réseau. Les forfaits sont disponibles avec des capacités de données s'étendant de 300 Ko à 5 giga-octets (Go) par mois.

Le nRF9160 peut fonctionner de 3,0 volts (V) à 5,5 V, ce qui le rend adapté à une utilisation avec des points d'extrémité IIoT alimentés par une batterie lithium de 3,7 V. Le fonctionnement à 3,7 V est recommandé car la plupart des spécifications du dispositif présentent une tension d'alimentation de 3,7 V. La plupart des domaines d'alimentation des périphériques et des modules de processeur du nRF9160 sont configurables et l'alimentation peut être activée et désactivée sous le contrôle du micrologiciel. Cela permet aux développeurs d'affiner l'absorption de courant pour répondre aux exigences spécifiques de l'application.

Le nRF9160 dispose d'un mode d'économie d'énergie (PSM) qui place le cœur en veille (état des registres du cœur préservé), le modem LTE hors tension et la plupart des périphériques hors tension. Pour un point d'extrémité IIoT qui doit suivre le temps, avec l'horloge temps réel (RTC) en mode d'économie d'énergie, le nRF9160 ne consomme que 2,35 microampères (µA), une consommation de courant exceptionnellement faible pour un dispositif alimenté par batterie.

Le module GPS consomme une quantité considérable de 47 milliampères (mA) lorsqu'il est utilisé en continu. Cependant, il est plus pratique de faire fonctionner le GPS en mode d'économie d'énergie car il ne consomme que 12 mA supplémentaires. Cela peut être approprié pour les trains ou les camions qui exigent une surveillance continue de la localisation en temps réel. Un mode encore plus économique consiste à configurer le GPS pour qu'il calcule la position unique toutes les deux minutes, ce qui ne nécessite que 1,3 mA. Cela convient aux nœuds fixes qui n'ont besoin de détecter qu'un mouvement occasionnel.

Lorsqu'il communique en utilisant un protocole LTE-M, le nRF9160 peut transmettre des données à une vitesse de 375 kilobits par seconde (kbps). Le protocole NB-IoT à bas débit de données atteint 60 kbps. Ces bas débits de données permettent d'économiser de l'énergie tout en maintenant des communications fiables entre le point d'extrémité et le concentrateur. Le modem LTE prend également en charge la sécurité de la couche transport (TLS) permettant des communications sécurisées et cryptées pour aider à prévenir les attaques de l'intercepteur ou l'interception non autorisée des données transmises.

Le nRF9160 fonctionne à des températures de -40°C à +85°C, ce qui le rend adapté aux environnements extrêmement froids et à la plupart des environnements très chauds.

La radio LTE fournit jusqu'à 23 décibels par rapport à 1 milliwatt (mW) (dBm) de puissance de sortie à l'antenne. Elle est compatible avec IPv4 et également avec IPv6, ce qui la rend facilement extensible à de nouvelles adresses IP sans les limitations d'IPv4. Le modem LTE prend également en charge la messagerie texte SMS. Cela permet au point d'extrémité IIoT d'envoyer et de recevoir des données textuelles comme avec un téléphone portable, sauf qu'au lieu de dire « bonjour », la messagerie peut être utilisée pour recevoir des données de capteurs et envoyer des commandes opérationnelles.

Développement des points d'extrémité LTE

Pour soutenir le développement du nRF9160, Nordic Semiconductor fournit la carte de développement cellulaire nRF6943 Nordic Thingy:91 (Figure 2). La carte est fournie sous forme de kit dans une boîte orange vif qui peut presque être déployée en l'état pour une mise en œuvre rapide.

Figure 2 : Le nRF6943 Thingy:91 de Nordic Semiconductor est un kit de développement cellulaire complet avec une pléthore de capteurs et de broches pour la connexion à des dispositifs externes. Il est doté d'un connecteur de carte SIM pour une carte SIM d'abonné. (Source de l'image : Nordic Semiconductor)

Le kit de développement nRF6943 est fourni avec une batterie lithium-polymère rechargeable de 1400 milliampères-heure (mAh) qui est chargée via le port USB disponible. Le port USB est également utilisé pour connecter le nRF6943 à un PC pour le développement de micrologiciels, la programmation et le débogage.

Le kit de développement nRF6943 Thingy:91 est fourni avec plusieurs capteurs embarqués, dont un accéléromètre basse consommation, un accéléromètre à valeur G élevée, un capteur de lumière et de couleur, et un port de mesure du courant. Un capteur environnemental détecte la température, l'humidité, la qualité de l'air et la pression atmosphérique. Des broches de port individuelles sont disponibles pour la connexion à des capteurs externes supplémentaires. De plus, le nRF9160 commande quatre MOSFET de puissance qui peuvent être utilisés pour commander de petits moteurs CC ou des LED à fort courant. Un buzzer magnétique et trois LED RVB fournissent une rétroaction audio et visuelle pendant le développement. Deux boutons-poussoirs sont programmables par le micrologiciel de l'application.

Connexion au concentrateur du site principal

Un point d'extrémité IIoT nRF9160 peut être placé partout où une connectivité LTE est disponible. Le point d'extrémité cellulaire IIoT peut transmettre les données via le réseau cellulaire d'un opérateur sans fil avec le concentrateur du site principal vers un routeur cellulaire comme le routeur 4G LTE 1010464 de Phoenix Contact (Figure 3).

Figure 3 : Le routeur cellulaire 1010464 de Phoenix Contact est un routeur 4G LTE industriel avec un pare-feu intégré et une prise en charge de réseau privé virtuel (VPN). (Source de l'image : Phoenix Contact)

Ce routeur 4G LTE 1010464 de Phoenix Contact est conçu pour les environnements industriels difficiles et se connecte au réseau cellulaire AT&T U.S.A. Un connecteur SIM est situé à l'arrière pour une carte SIM d'abonné. Le routeur est monté sur rail DIN pour l'intégration aisée dans un système à rail DIN existant avec une configuration matérielle minimale. L'emplacement du routeur doit lui permettre de recevoir un signal cellulaire clair. Le micrologiciel du point d'extrémité IIoT et ce routeur cellulaire doivent être configurés avec les numéros de téléphone de chaque carte SIM afin de pouvoir communiquer de manière sécurisée et efficace. Le routeur LTE est doté d'un pare-feu pour une sécurité accrue et peut facilement filtrer les accès LTE non autorisés provenant de numéros de téléphone non autorisés ainsi que les paquets suspects provenant de numéros autorisés. La prise en charge VPN permet des communications de données plus sûres. Le routeur cellulaire LTE est doté d'un commutateur à quatre ports en façade et communique avec le réseau local via Ethernet.

Cette combinaison d'un point d'extrémité IIoT basse consommation et d'un routeur cellulaire LTE permet des communications aisées entre le concentrateur du site principal et le point d'extrémité industriel, la vitesse des communications n'étant limitée que par la bande passante disponible du réseau cellulaire.

Conclusion

Comme illustré, les réseaux IIoT peuvent être facilement étendus pour inclure des points d'extrémité partout dans le monde. L'utilisation d'un microcontrôleur basse consommation avec un modem cellulaire LTE intégré permet des gains de temps et une réduction des coûts de conception. Une fois correctement configuré, il peut transmettre des données à un routeur cellulaire au niveau du concentrateur du site principal 24 heures sur 24.