Optimiser l'efficacité de l'automatisation industrielle grâce à des réseaux de capteurs Bluetooth renforcés et sécurisés

Les réseaux de capteurs Internet des objets (IoT) ont révolutionné les systèmes d'automatisation industrielle, d'énergie renouvelable et d'éclairage intelligent en tirant parti des données en temps réel pour améliorer l'efficacité et réduire les temps d'arrêt grâce à la maintenance prédictive. Cependant, à mesure que les systèmes sont équipés d'un nombre croissant de nœuds de capteurs sans fil, les concepteurs sont confrontés au défi de faire évoluer de manière fiable ces réseaux Internet industriel des objets (IIoT) en environnements difficiles tout en minimisant les coûts de déploiement et d'exploitation, en gérant l'encombrement du réseau et en garantissant la sécurité.

Cet article fournit un aperçu des problèmes auxquels les concepteurs doivent faire face lors du dimensionnement des réseaux IIoT. Il présente ensuite des modules Bluetooth Low Energy (BLE) et un kit de développement de Digi, et montre comment ils peuvent être utilisés pour résoudre ces problèmes rapidement et efficacement.

Les défis de la mise à l'échelle de l'infrastructure IIoT sans fil

L'IIoT couvre une large gamme d'applications où l'acquisition des données est essentielle pour améliorer l'efficacité et la prévisibilité. Dans l'éclairage intelligent, par exemple, les capteurs sans fil collectent des données sur la lumière ambiante et la présence, et adaptent l'utilisation en temps réel pour économiser l'énergie et réduire les coûts associés.

De même, dans les applications d'énergie renouvelable, les réseaux de capteurs IoT sont utilisés sur de longues distances pour surveiller différentes sources d'énergie telles que l'énergie solaire et éolienne. Ils surveillent l'état et les performances des systèmes, anticipent les problèmes et ajustent l'alimentation réseau de manière dynamique.

Comme dans d'autres domaines utilisant l'automatisation industrielle, les données acquises depuis les pièces mobiles sont essentielles à la mise en œuvre de la maintenance prédictive. L'installation de centaines de capteurs sans fil dans un système industriel fournit des données granulaires permettant d'optimiser les processus, de réduire les efforts de maintenance et de diminuer les coûts d'exploitation. Cependant, à mesure que les réseaux de capteurs s'étendent, des problèmes peuvent survenir et avoir un impact négatif sur les performances, notamment :

• Interférences : les environnements industriels sont souvent exposés à des niveaux élevés d'interférences électromagnétiques (EMI) produites par les moteurs, les alimentations à découpage et les équipements de soudage à l'arc. Ces EMI peuvent provoquer des intermittences et des débits de données réduits qui nuisent à la transmission efficace des données.
• Surcharge réseau : l'utilisation de multiples dispositifs sans fil à proximité immédiate les uns des autres peut saturer les réseaux, ce qui se traduit par des temps de latence plus élevés et des pertes de connexion qui entravent la surveillance en temps réel et augmentent la consommation d'énergie.
• Sécurité : le piratage informatique est une préoccupation majeure pour les infrastructures critiques, telles que l'énergie ou la logistique. Les réseaux de capteurs doivent donc offrir une sécurité robuste. Cependant, le nombre de vulnérabilités augmente avec le nombre de points d'extrémité.

Un autre défi consiste à intégrer les capteurs sans fil aux protocoles industriels standard. Cette intégration peut impliquer un reformatage et une compression des données afin de réduire le trafic réseau. Toutefois, ces processus nécessitent un traitement sur le dispositif, ce qui peut rapidement faire grimper les coûts et la consommation d'énergie à mesure que le nombre de capteurs et de protocoles augmente. En outre, avec un plus grand nombre de capteurs sur le terrain, les efforts de maintenance deviennent de plus en plus complexes, car ils impliquent des interventions imprévisibles, que ce soit en raison de pannes ou d'un simple remplacement des piles.

Avantages de Bluetooth pour l'IIoT à grande échelle

Parmi les nombreux protocoles IIoT sans fil, le Bluetooth offre une puissante solution répondant à divers problèmes liés à l'extension des réseaux de capteurs. Par exemple, il offre une haute immunité aux interférences grâce à l'utilisation du saut de fréquence adaptatif (AFH). L'AFH décompose les données en petits paquets qui sont transmis sur plusieurs fréquences et recombinés côté réception. Tous les paquets de données perdus sont renvoyés s'ils sont signalés comme manquants, garantissant ainsi des communications fiables et évitant la perte de longs messages en raison d'EMI.

Pour éviter la congestion du réseau, le Bluetooth prend en charge le contrôle de la puissance d'émission vers le récepteur une fois la connexion établie. Cette approche, combinée à l'AFH, permet d'économiser l'énergie tout en minimisant les EMI, permettant à des centaines de dispositifs sans fil de fonctionner dans le même espace. En outre, le Bluetooth réduit les vulnérabilités de sécurité en utilisant un cryptage fort et des protocoles d'authentification robustes.

Dans les déploiements IIoT, les réseaux de capteurs Bluetooth à grande échelle communiquent principalement via des passerelles conçues pour s'appairer à plusieurs dispositifs. En concevant des nœuds de capteurs basés sur Bluetooth, les développeurs peuvent fournir une interopérabilité transparente avec les smartphones et les tablettes, simplifiant ainsi le travail de configuration et de diagnostic pour une efficacité de maintenance améliorée.

Cependant, pour qu'un réseau sans fil soit adapté à l'IIoT, il doit également résister de manière fiable à des conditions de déploiement difficiles, présenter une basse consommation, et être rentable et facile à entretenir.

Exploiter des modules BLE de qualité industrielle pour les réseaux IIoT

Les modules BLE 5.4 XBee 3 BLU et le kit de développement de Digi offrent aux concepteurs un moyen simple et rapide de déployer des réseaux IIoT sans fil. Les modules répondent aux exigences de fiabilité et d'alimentation en combinant une tolérance de température de qualité industrielle de -40°C à +85°C et l'utilisation de modes d'inactivité et de veille. Avec une consommation de courant de 7,5 mA et 8 µA, respectivement, les dispositifs XBee 3 BLU peuvent prendre en charge l'installation à long terme de capteurs à distance dans des emplacements difficiles d'accès, permettant ainsi d'obtenir des informations précieuses sans nécessiter un accès régulier pour remplacer les piles.

Les autres fonctionnalités clés incluent :

• Débit de données maximum de 2 Mbps pour des informations détaillées sur des machines complexes
• Puissance d'émission maximum de +8 dBm pour des communications haute fidélité jusqu'à 15 m en intérieur ou 300 m en extérieur en visibilité directe
• 13 E/S numériques et 4 entrées de convertisseur analogique-numérique (CAN) 10 bits pour l'intégration flexible avec différents équipements et interfaces de capteurs
• Alimentation de 1,71 V à 3,8 V pour des options d'alimentation flexibles
• Sécurité Digi TrustFence pour la protection des dispositifs et des réseaux, y compris le démarrage sécurisé, la protection des ports matériels et l'authentification des dispositifs
• Programmabilité MicroPython avancée pour le développement rapide de systèmes de traitement des données et de prise de décision sur le dispositif
• Homologations réglementaires complètes pour l'Amérique du Nord (FCC, IC) et l'Europe (ETSI)

Options des modules XBee 3 BLU

Digi propose plusieurs modèles XBee 3 BLU pour répondre à différents besoins de conception et facteurs de forme de capteur. Le XB3-24B5UM-J (Figure 1) est une solution à montage en surface dotée d'un connecteur U.FL pour la connectivité d'antennes externes. Des modèles similaires sont disponibles avec des options d'antennes monopuces et à pastille RF.

Figure 1 : Le XB3-24B5UM-J offre une solution extra-plate pour des communications BLE puissantes en environnements industriels. (Source de l'image : Digi)

Ce facteur de forme de 13 mm × 19 mm × 2 mm convient parfaitement aux capteurs extra-plats conçus pour les environnements industriels hautement intégrés, tels que les luminaires intelligents. La soudure directe sur circuit imprimé peut également améliorer la durabilité et la fiabilité des capteurs dans les environnements difficiles, tels que les chaînes de montage en usine.

Alternativement, le XB3-24B5PT-J (Figure 2) est une variante à montage traversant du module XBee 3 BLU. Ce facteur de forme comprend une antenne de piste de circuit imprimé, avec une option U.FL.

Figure 2 : Le XB3-24B5PT-J est un module à montage traversant qui peut être facilement remplacé par d'autres modules XBee prenant en charge différents protocoles sans fil, pour une plus grande flexibilité de conception. (Source de l'image : Digi)

Malgré une empreinte plus grande de 24,38 mm × 27,61 mm, ce facteur de forme traversant offre un avantage aux développeurs qui conçoivent des capteurs IoT pour diverses autres applications. En installant des embases sur une carte porteuse commune, la même conception de capteur peut servir différents protocoles sans fil en remplaçant ce module par un autre de l'écosystème XBee plus étendu. Cela réduit les efforts de conception pour les développeurs et augmente la flexibilité de l'infrastructure IIoT.

Rationaliser le développement de systèmes IIoT basés sur BLE avec le kit de développement XBee

Pour accélérer la construction d'un projet, les concepteurs peuvent utiliser le kit de développement XBee 3 BLU XK3-B5M-WBT (Figure 3). Il comprend une carte d'interface XBIB et des périphériques clés pour prendre en charge le prototypage immédiat de capteurs sans fil, y compris :

• Embase pour surveillance du courant
• Capteur de température/d'humidité
• Connecteur Grove pour capteurs tiers
• Boutons utilisateur programmables
• Options d'alimentation USB ou par batterie

Figure 3 : Le kit de développement XK3-B5M-WBT constitue un point de départ idéal pour concevoir des réseaux de capteurs IIoT basés sur BLE. (Source de l'image : Digi)

Le kit donne également accès à Digi XBee Studio. Cette application multi-plateforme gratuite permet d'accélérer la mise sur le marché grâce à un large éventail d'outils de développement, y compris une pile logicielle BLE 5.4 complète, ainsi que de la documentation et des exemples supplémentaires. L'interface utilisateur graphique (GUI) simple (Figure 4) permet la configuration et la gestion étape par étape aisées de plusieurs périphériques XBee simultanément.

Figure 4 : XBee Studio est un environnement logiciel complet, conçu pour accélérer le développement et le test des nœuds IIoT XBee. (Source de l'image : Digi)

Outre XBee Studio, l'application mobile Digi XBee permet la configuration locale et les mises à jour micrologicielles OTA pour un dépannage pratique sur le terrain. Le SDK Digi Mobile prend en charge le développement d'applications pour les systèmes iOS et Android, permettant aux développeurs de rationaliser l'interaction des utilisateurs finaux avec les réseaux de capteurs basés sur XBee, ce qui se traduit par une gestion des dispositifs plus simple et plus efficace.

Conclusion

Lors de la conception de réseaux de capteurs IIoT à grande échelle pour l'acquisition de données, les développeurs peuvent être confrontés à de nombreux défis liés aux interférences, à la sécurité, à l'intégration et à la maintenance. Les modules Digi XBee 3 BLU fournissent une solution BLE de qualité industrielle basse consommation offrant des capacités edge computing intégrées pour rationaliser la gestion des données. Avec des options d'intégration flexibles et des ressources de développement complètes, les modules constituent une plateforme fiable sur laquelle construire et développer des systèmes de réseaux de capteurs avancés de manière rapide et efficace.