Mise en réseau de capteurs dans d'anciennes installations d'automatisation industrielle avec une passerelle multiprotocole LoRaWAN

Alors que l'Internet industriel des objets (IIoT) continue son expansion, les types de technologies de mise en réseau servant à connecter différents systèmes évoluent eux aussi. Pour le réseau filaire, l'Ethernet (et sa variante, Industrial Ethernet) constitue l'interface la plus courante en raison de sa polyvalence et de sa compatibilité avec de nombreux protocoles. Pour les données haut débit sans fil, le Wi-Fi est devenu la norme pour des mises en réseau fiables et rapides, tandis que le Bluetooth est privilégié pour certains capteurs et pour la configuration d'équipements.

Toutefois, le Bluetooth fonctionne sur la bande 2,45 gigahertz (GHz), tandis que le Wi-Fi fonctionne sur les bandes 2,45 GHz et 5 GHz. Par conséquent, les murs épais utilisés dans la construction de bâtiments anciens peuvent réduire considérablement la portée des transmissions Wi-Fi et Bluetooth, par rapport à des radios comme LoRaWAN qui fonctionnent dans les bandes de fréquences sub-GHz. Cela compromet la connectivité des capteurs et accroît les coûts, étant donné qu'il est nécessaire de déployer davantage de points d'accès ou d'agrégation dans une installation afin d'empêcher la perte de connexion sans fil au niveau des dispositifs.

Cet article explique pourquoi il peut être nécessaire d'ajouter une connectivité de capteurs LoRaWAN dans les sites d'automatisation industrielle déjà équipés de Wi-Fi et de Bluetooth. Il examine les avantages du protocole LoRaWAN dans les bâtiments anciens et les environnements hérités qui doivent être adaptés à l'automatisation industrielle et à la gestion des immeubles. Il étudie ensuite deux passerelles LoRaWAN de Multi-Tech Systems permettant de simplifier la gestion des réseaux de données Wi-Fi, la connectivité des capteurs LoRaWAN et la connectivité Bluetooth, tout en maintenant la rétrocompatibilité.

Comment ajouter une connectivité sans fil dans les bâtiments anciens

Pour répondre à l'expansion de l'IIoT, certains bâtiments anciens ont été affectés à la mise en réseau IIoT. Cependant, ces vieux bâtiments ont été construits des années avant que l'on ne se préoccupe de la transmission de données sans fil dans un bâtiment. Les murs, les planchers et les plafonds sont souvent renforcés par des treillis en acier, des barres d'armature et de lourdes poutres en acier qui bloquent les signaux radio haute fréquence, empêchant ainsi l'accès réseau à certains équipements.

Dans certains cas, la connectivité à travers un mur peut fonctionner jusqu'à ce qu'un chariot élévateur ou un autre équipement lourd soit placé près du mur, ce qui bloque temporairement la connectivité. Cela présente un problème pour les protocoles sans fil haute fréquence comme Wi-Fi et Bluetooth. Détecter ces situations de connectivité limitée intermittente constitue un cauchemar pour tout technicien de réseau.

Par conséquent, ces bâtiments peuvent nécessiter des routeurs, des commutateurs réseau et des passerelles supplémentaires dans les installations. Cela augmente la complexité du réseau tout en ajoutant des problèmes de coût, de maintenance et d'interopérabilité.

Le cas des capteurs distants est particulièrement problématique, car ils peuvent se situer à des centaines de mètres de la passerelle ou du routeur. Cependant, certains capteurs comme les capteurs environnementaux n'ont pas à constamment transmettre leur état via un réseau sans fil haute vitesse et peuvent simplement utiliser des fréquences sub-GHz sans saturation du réseau ni conditions de concurrence.

Dans ces cas-là, le protocole sans fil LoRaWAN sub-GHz basse consommation constitue une option fiable. LoRaWAN émet sur une plage de fréquences de 902 mégahertz (MHz) à 928 MHz aux États-Unis et de 863 MHz à 870 MHz en Europe. Il cible les capteurs basse consommation à faible débit de données ne nécessitant pas de connexions de donnée continues. Grâce à ses bandes de fréquences de fonctionnement inférieures, LoRaWAN est particulièrement adapté aux vieux bâtiments dotés de murs épais renforcés car le signal transmis traverse facilement le bois, les cloisons sèches, le béton et l'acier.

Toutefois, si une installation industrielle utilise Wi-Fi, Bluetooth et LoRaWAN, il est important d'intégrer ces trois protocoles de manière à garantir la fiabilité et l'interopérabilité, tout en réduisant les coûts de maintenance.

Configuration LoRaWAN IIoT

Les signaux Wi-Fi se connectent typiquement au concentrateur central d'une installation industrielle via un commutateur réseau ou un routeur, qui traduit les données sur un réseau Ethernet filaire. Cette traduction est relativement simple puisque les protocoles Wi-Fi et Ethernet sont compatibles. Cependant, LoRaWAN n'étant pas compatible avec Ethernet, la transmission des données n'est pas simple. Pour que les données LoRaWAN sans fil puissent atteindre le concentrateur central, elles doivent d'abord passer par une passerelle compatible. Une passerelle compatible LoRaWAN est configurée pour transférer les données sur une connexion backhaul vers un concentrateur central Windows ou Linux exécutant l'application LoRaWAN Network Server (LNS). Le serveur LNS traite les données et les diffuse au système d'exploitation du concentrateur via les interfaces de programmation (API) disponibles pour le logiciel d'application.

La passerelle multiprotocole MTCDT-247A-915-US-EU-GB de Multi-Tech Systems est une passerelle multiprotocole LoRaWAN conçue pour les installations industrielles renforcées (Figure 1). Elle cible les environnements industriels et peut fonctionner à des températures de -30°C à +70°C et à une humidité relative jusqu'à 90 % (sans condensation).

La passerelle MTCDT-247A-915-US-EU-GB est configurée pour les fréquences LoRaWAN des États-Unis et ne peut pas être utilisée dans d'autres pays. Elle prend en charge Wi-Fi, Bluetooth et LoRaWAN.

Figure 1 : La passerelle MTCDT-247A-915-US-EU-GB de Multi-Tech Systems est un routeur Wi-Fi et une passerelle LoRaWAN pour les environnements industriels. Elle fonctionne sur les fréquences LoRaWAN des États-Unis de 902 MHz à 928 MHz et prend également en charge la connectivité Bluetooth. (Source de l'image : Multi-Tech Systems)

Cette passerelle Conduit prend en charge la mise en réseau LoRaWAN sur la bande 915 MHz des États-Unis. Elle utilise une interface basée sur un navigateur pour configurer le transmetteur de paquets LoRaWAN afin qu'il pointe vers le LNS. Les capteurs LoRaWAN placés à l'intérieur de l'installation industrielle peuvent facilement se connecter à une passerelle Conduit située à plusieurs centaines de mètres, même avec les planchers et les murs en béton armé en acier que l'on trouve dans les bâtiments plus anciens. Toutefois, même les immeubles modernes présentent des points noirs, à savoir des emplacements que les signaux sans fil ne peuvent pas atteindre. Il s'agit d'un problème récurrent et inévitable lié aux grands bâtiments. Par conséquent, il est recommandé d'avoir au moins deux passerelles LoRaWAN pour garantir une couverture complète. L'application LNS résout tous les problèmes en recevant des paquets de données identiques de deux ou plusieurs passerelles Conduit.

L'interface de navigateur peut également être utilisée dans la configuration du point d'accès Wi-Fi. La passerelle MTCDT-247A-915-US-EU-GB peut fournir des points d'accès Wi-Fi pour une installation industrielle à 2,45 GHz et 5 GHz pour les protocoles 802.11a/b/g/n. Une antenne Wi-Fi est incluse avec la passerelle.

L'interface de navigateur permet également de configurer le point d'accès Bluetooth pour se connecter avec des dispositifs Bluetooth compatibles. La technologie Bluetooth classique est prise en charge pour les dispositifs Bluetooth toujours actifs à haut débit de données. La technologie Bluetooth LE 4.1 est prise en charge pour les dispositifs Bluetooth alimentés par batterie comme les tablettes, les ordinateurs portables et certains capteurs.

La connexion réseau et le backhaul avec le serveur principal s'effectuent via la technologie Ethernet 10/100Base-T filaire à partir d'un jack RJ45 à l'arrière.

La passerelle MTCDT-247A-915-US-EU-GB prend également en charge le système global de navigation par satellite (GNSS). Il peut servir pour le positionnement global, mais permet surtout de fournir une base de temps précise pour l'horodatage des paquets LoRaWAN, un paramètre requis par la norme LoRaWAN pour garantir la synchronisation des messages.

Le MTCDT-247A-915-US-EU-GB combine une connectivité de concentrateur Wi-Fi, Bluetooth et LoRaWAN USA dans une seule passerelle, fournissant un point central de maintenance pour ces trois protocoles sans fil et simplifiant la connectivité réseau. La passerelle est conçue de sorte qu'il n'y ait aucune interférence entre les trois protocoles.

Pour le marché européen, Multi-Tech Systems fournit la passerelle MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB, qui est identique à la version américaine, sauf qu'elle fonctionne dans la bande LoRaWAN de 868 MHz pour l'UE (de 863 MHz à 870 MHz), et prend également en charge la connectivité cellulaire 4G-LTE pour le backhaul. Pour un fonctionnement rentable dans les zones non couvertes par les normes cellulaires modernes, la passerelle peut également envoyer des données sur des réseaux 3G-HSPA+ et 2G-GPRS. Multi-Tech Systems spécifie que cette passerelle est compatible avec tous les réseaux cellulaires de l'UE.

La passerelle MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB est fournie avec une sélection d'adaptateurs compatibles avec la plupart des prises d'alimentation européennes. Elle inclut également une antenne Wi-Fi, une antenne GNSS et deux antennes cellulaires (Figure 2).

Figure 2 : La passerelle MTCDT-247A-915-US-EU-GB de Multi-Tech Systems prend en charge la connectivité LoRaWAN pour les pays de l'UE dans la bande 868 MHz, ainsi que la connectivité backhaul cellulaire 4G-LTE. Elle est fournie avec une sélection d'adaptateurs d'alimentation CA européens qui couvrent la plupart des pays. (Source de l'image : Multi-Tech Systems)

Pour envoyer des données LoRaWAN à un serveur LNS sur un réseau 4G-LTE, chaque passerelle requiert une carte SIM standard contenant le réseau sans fil, le numéro de téléphone et les informations sur l'abonné.

La passerelle MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB inclut un logement de carte SIM à l'avant de l'unité, derrière la plaque signalétique. La plaque signalétique est fixée avec une vis pour empêcher que la carte SIM puisse être remplacée facilement par des acteurs malveillants (Figure 3). À titre de mesure de sécurité supplémentaire, la passerelle doit être conservée dans un endroit verrouillé, inaccessible aux utilisateurs non autorisés. Il est impératif que l'emplacement soit dépourvu d'une enceinte métallique, qui risquerait de bloquer les signaux Wi-Fi et Bluetooth.

Figure 3 : La passerelle MTCDT-L4E1-247A-868-EU-GB est équipée d'un port de carte SIM, accessible en retirant la plaque signalétique, qui est fixée par une petite vis. (Source de l'image : Multi-Tech Systems)

Chaque passerelle LoRaWAN Conduit de Multi-Tech Systems prenant en charge un backhaul 4G-LTE nécessitera l'achat d'une carte SIM avec un forfait de données approprié auprès d'un opérateur mobile. DigiKey propose une carte SIM et un forfait de données mobiles pour une passerelle Conduit. Les forfaits sont disponibles avec des capacités de données de 300 kilo-octets (Ko) à 5 giga-octets (Go) par mois.

La passerelle Conduit de Multi-Tech Systems fournit un point d'accès central simplifié pour quatre protocoles de connectivité sans fil plus GNSS, et ce, dans une seule unité. Cela permet au personnel de maintenance de configurer facilement tous les réseaux sans fil à partir d'un seul emplacement afin d'économiser du temps et d'augmenter la fiabilité. Cela permet également d'éliminer les conflits éventuels en cas d'utilisation de routeurs et de passerelles distincts.

Conclusion

Les réseaux sans fil deviennent incontournables pour l'automatisation industrielle à mesure que les usines adoptent les pratiques de l'IIoT. Pour ces applications, il existe déjà un riche écosystème de dispositifs prenant en charge Wi-Fi et Bluetooth pour diverses applications, fonctionnant souvent sur des bandes de fréquences différentes. Comme décrit, l'ajout d'une connectivité de capteurs LoRaWAN avec un fonctionnement sub-GHz dans des installations d'automatisation industrielle déjà équipées des technologies Wi-Fi et Bluetooth peut améliorer la fiabilité, en particulier dans les installations plus anciennes aux murs renforcés en acier. L'utilisation d'une seule passerelle prenant en charge tous ces protocoles permet de gagner du temps et de réduire les coûts de configuration, tout en améliorant la compatibilité et la fiabilité.