Surveillance à distance à l'aide de capteurs sans fil via Wi-Fi

Les usines modernes disposent de systèmes numériques de plus en plus complexes, avec des interconnexions entre des dispositifs et des logiciels de nombreux fournisseurs différents. Cette complexité a conduit à s'éloigner des interfaces propriétaires pour les remplacer par des normes communes telles que Wi-Fi® et Ethernet. La standardisation des communications numériques peut être considérée comme faisant partie de la quatrième révolution industrielle (Industrie 4.0) dans laquelle les technologies de l'Internet des objets (IoT) simplifient considérablement la connexion de différents dispositifs (Figure 1). Cet article passe en revue les formes les plus courantes de réseaux de capteurs basés sur la technologie Wi-Fi et leurs applications typiques.

Figure 1 : La détection par Wi-Fi est de plus en plus fréquente dans les milieux industriels.

Historique et versions du Wi-Fi

Le Wi-Fi est un protocole de réseau sans fil basé sur la norme IEEE 802.11, mais il a été davantage normalisé pour assurer l'interopérabilité des dispositifs. La norme Wi-Fi est maintenue par la Wi-Fi® Alliance et seuls les produits qui ont été certifiés conformes à cette norme peuvent porter la marque.

La norme 802.11 est bien établie pour les applications de réseaux locaux (LAN) sans fil. Elle a été publiée par l'IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers) en 1997, sous le numéro 802.11-1997. Les éditions ultérieures majeures incluent, par ordre chronologique, 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n et 802.11ac. Bien que la norme IEEE 802.11 constitue la base technique du Wi-Fi, l'IEEE n'a pas procédé à des certifications ni à des tests, ce qui a entraîné des problèmes d'interopérabilité dans les premiers dispositifs.

En 1999, la Wi-Fi Alliance a été créée par certaines des premières entreprises à adopter la norme IEEE 802.11. Le but de cette alliance était d'améliorer l'interopérabilité entre les dispositifs que les sociétés membres produisaient. Les sociétés fondatrices comprenaient 3Com et Nokia. Les générations Wi-Fi correspondent aux principales versions de la norme IEEE 802.11, comme indiqué dans le Tableau 1.

Tableau 1 : Normes Wi-Fi au fil des ans.

Portée, vitesse et fréquence

Le Wi-Fi peut fonctionner à différentes fréquences, et les dispositifs peuvent souvent être configurés pour utiliser différentes fréquences. Les fréquences les plus courantes sont 2,4 GHz et 5 GHz.

En général, les fréquences plus élevées offrent des vitesses de transfert de données plus élevées. Cependant, les fréquences plus élevées sont également plus facilement dissipées, notamment lorsqu'elles traversent des objets solides. Les fréquences plus basses offrent donc généralement une plus grande portée.

Lorsqu'il fonctionne dans la même gamme de fréquences que d'autres dispositifs, le Wi-Fi est également plus sensible aux interférences. Par exemple, à 2,4 GHz, des interférences Wi-Fi peuvent se produire avec les fours à micro-ondes, les téléphones sans fil et les dispositifs Bluetooth. Cela peut signifier que dans certains environnements, une valeur de 5 GHz peut en fait offrir une meilleure portée que 2,4 GHz. Si des problèmes surviennent à une fréquence particulière, il est souvent plus facile d'essayer simplement un autre canal ou même une autre bande.

Les gammes de fréquences sont des bandes à l'intérieur desquelles des canaux spécifiques sont définis. Par exemple, la bande 2,4 GHz est divisée en 14 canaux. Le canal 1 s'étend de 2401 à 2423 MHz, le canal 2 de 2406 à 2428 MHz, etc. La bande de 5 GHz compte un nombre beaucoup plus important de canaux.

La norme IEEE 802.11ah, connue sous le nom de Wi-Fi HaLow ou longue portée, fonctionne dans la bande de fréquences plus basse, autour de 900 MHz, combinée à des canaux RF étroits de 1 MHz. Ces canaux basse fréquence étroits, combinés aux changements de protocole, se traduisent par une consommation d'énergie beaucoup plus faible, même plus basse que celle du Bluetooth Low Energy. La portée doit être environ deux fois supérieure à celle de 2,4 GHz — plus de 40 mètres à 150 kbps pour un seul flux ou plus de 80 mètres en utilisant une puce à double flux plus complexe. Bien que l'IEEE ait déjà publié la norme 802.11ah, la Wi-Fi Alliance n'a pas encore commencé à certifier les dispositifs.

À l'autre extrémité du spectre, la norme IEEE 802.11ad, ou WiGig, fonctionne sur une bande de fréquences plus élevée, autour de 60 GHz, pour permettre des taux de transfert de données élevés, typiquement de l'ordre de 7 Gb/s.

Topologie du réseau Wi-Fi

La topologie d'un réseau est la structure de base des connexions entre les dispositifs (Figure 2). Par exemple, dans une topologie en étoile, un dispositif est un concentrateur et tous les autres dispositifs se connectent au concentrateur. Dans une topologie à interconnexion intégrale, chaque dispositif est connecté à tous les autres dispositifs. Une topologie maillée est similaire à une topologie à interconnexion intégrale en ce sens que les connexions sont décentralisées, mais il peut ne pas y avoir de connexions entre chaque paire de dispositifs. C'est pourquoi on peut également parler de maillage partiellement connecté. Dans une topologie de bus chaque dispositif est connecté à un câble, appelé bus.

Figure 2 : Les topologies de réseau abondent, mais la plupart des réseaux Wi-Fi sont en étoile ou maillés. (Source de l'image : Design World)

Les réseaux Wi-Fi sont généralement en étoile ou maillés. Les topologies maillées sont robustes et sûres, elles réduisent la consommation d'énergie et améliorent la portée puisque les liaisons individuelles peuvent être plus courtes. Pour les grands réseaux IoT avec de nombreux capteurs basse consommation, ce sont des avantages importants. Toutefois, les réseaux en étoile peuvent également offrir des avantages à cet égard. Dans un réseau en étoile, il est possible que les dispositifs individuels émettent par intermittence et que seul le concentrateur nécessite une alimentation continue pour le signal Wi-Fi.

Implémentations Wi-Fi spécialisées pour l'industrie

Comme mentionné ci-dessus, le Wi-Fi HaLow utilise une fréquence plus basse pour atteindre une plus longue portée et une consommation d'énergie réduite. Cela peut être utile pour les petits dispositifs fonctionnant sur batteries. Pour les applications d'automatisation industrielle et de contrôle, où la communication en temps réel est requise, le Wi-Fi a eu du mal à fournir une connexion suffisamment rapide, stable et à faible latence. Bien que le Wi-Fi en temps réel suscite un intérêt depuis au moins une décennie, cette technologie n'a pas été largement adoptée. La mise en œuvre la plus réussie du Wi-Fi en temps réel est sans doute WIA-PA, une norme chinoise de communication industrielle sans fil pour l'automatisation des processus.

L'utilisation industrielle du Wi-Fi est plus fréquente dans les applications moins exigeantes telles que les détecteurs de mouvement et les lecteurs de codes-barres. La surveillance de l'état des machines est de plus en plus courante. Pour les machines tournantes, des accéléromètres sont utilisés pour surveiller les vibrations. La surveillance environnementale est également un aspect important de la surveillance des conditions, avec de petits capteurs de température, de pression, d'humidité et de concentration de gaz souvent déployés.

Les capteurs de surveillance des conditions sont déployés dans de nombreux environnements différents. Il s'agit évidemment des machines d'usines et des entrepôts, ainsi que des véhicules commerciaux de haute valeur, notamment les camions, les engins de terrassement et les aéronefs. La surveillance des conditions est également très bien établie et essentielle dans les opérations de production d'électricité, d'exploitation minière et de forage.

La surveillance du trafic, des niveaux de pollution et de la météo sont d'autres exemples d'applications où des capteurs sans fil sont déployés.

Technologies concurrentes

Le Wi-Fi n'est pas la seule norme qui permet la communication sans fil entre des dispositifs industriels. Pour les applications à courte portée et basse consommation, le Wi-Fi est en concurrence avec Bluetooth et Zigbee. Pour les applications à longue portée, les principales technologies qui concurrencent le Wi-Fi sont les technologies cellulaires — 3G, 4G et 5G.

Prenons l'exemple d'une unité de microcontrôleur (MCU) basse consommation aidant les ingénieurs à configurer les communications via Bluetooth Low Energy (BLE) et Wi-Fi via un module Wi-Fi XBee :

Le Bluetooth est une forme de communication basse consommation bien établie. Zigbee est une technologie plus récente basée sur la norme IEEE 802.15.4, qui vise à utiliser un matériel et une alimentation encore plus économiques que le Bluetooth. Bien que le Wi-Fi HaLow soit destiné à être compétitif dans ce domaine, il n'atteint pas le coût ni la consommation ultrafaibles de Zigbee. Pour compliquer encore les choses, la 5G dispose de sa propre technologie basse consommation — LPWA (Low-Power Wide-Area).

En complément de ces offres basse consommation, il existe des possibilités de récupération d'énergie :

Conclusion

De nombreux fabricants de dispositifs industriels utilisent encore des technologies sans fil industrielles propriétaires. Bien que cela rende l'interopérabilité plus difficile, cela signifie qu'ils peuvent offrir une sécurité accrue et des communications en temps réel. Comme le Wi-Fi continue de s'améliorer dans ces domaines, les ingénieurs peuvent s'attendre à voir de plus en plus de dispositifs adopter cette norme ouverte. D'autre part, la 5G présente un grand potentiel pour les applications IIoT sans fil. Les prochaines années verront une concurrence accrue entre les dernières normes Wi-Fi 6 et 5G.