Des modules radio pour toutes les applications

Solutions
Solutions
Certains modules radio supportent
plus particulièrement la constitution de réseaux
maillés (mesh). Ces derniers assurent
notamment le choix
du meilleur itinéraire
dans la transmission
de l’information.
Siemens
Des modules radio pour
toutes les applications
Digi
LIAI S O N S S A N S F I L
H
Grâce à la libération de certaines bandes de fréquences, à l’avènement de standards et à des processeurs de plus en plus
puissants, les liaisons radio connaissent un succès croissant. La technologie est désormais relativement bien maîtrisée mais
elle paraît encore complexe à appréhender. Avant de mettre en œuvre une application, l’industriel se trouve confronté à un
vaste choix : suivant les applications auxquelles ils sont destinés, les modules radio se déclinent en une multitude de variantes
offrant des fréquences, des protocoles et des technologies de transmission différentes. John Schwartz, spécialiste en liaisons
radio chez Digi International, explique ici pourquoi ces solutions coexistent. A défaut de modules radio “universels”, il propose
d’utiliser des systèmes “interchangeables”.
L
es radiofréquences, c’est un peu
l’univers des compromis. Car
même si la technologie est correctement maîtrisée depuis plusieurs
années, on ne peut pas toujours faire ce que
l’on veut. Une distance de transmission élevée, par exemple, s’obtient souvent au détriment du débit. Une puissance de sortie
supérieure offre une portée plus étendue,
mais elle utilise aussi un courant plus important. Les fréquences de transmission autorisées ne sont pas toujours les mêmes d’un
pays à l’autre. Les réseaux point à multipoint
possèdent des avantages que n’ont pas les
réseaux maillés, et vice versa… Pour satisfaire les besoins de toutes les applications, il
existe donc une offre très large, avec un
choix quasi illimité de protocoles, de fréquences et d’options.
L’essentiel
Comme dans un garage mécanique, où
PLes équipements sans fil
chaque outil trouve
actuels offrent une large
une fonction qui lui
déclinaison de fréquences,
est propre, certains
puissances d’émission
modules radio sont
et modes de transmission.
mieux adaptés que
P Compte tenu de ces difféd’autres à des situarents critères, ils sont plus
tions données. Pour
ou moins bien adaptés
s’y retrouver, il faut
à une application donnée.
revenir à quelques noP S’il n’existe pas de solution
tions fondamentales.
universelle, on peut toujours
Les différentes fréchoisir des modules
quences. La transmisinterchangeables
sion d’ondes radio est
que l’on remplace suivant
ses besoins.
basée sur une modulation de fréquences
30
contenant l’information. Leur propagation
s’effectue dans des intervalles appelés canaux
de transmission. Il existe principalement
deux grandes bandes de fréquences utilisables : la bande ISM des 2,4 GHz et la bande
UN-II des 5 GHz. Selon les réglementations
en vigueur dans les différents pays, les mêmes
canaux ne sont pas utilisables partout. Chaque
périphérique autorisant l’émission de signaux radio doit alors se conformer aux fréquences du pays dans lequel il est déployé.
Les basses fréquences,
pour une portée élevée
Comme ces fréquences sont utilisables sans
nécessiter de licences spécifiques, ce sont
aussi celles que l’on retrouve le plus couramment dans le pays concerné. Les Etats-Unis,
par exemple, utilisent les bandes de 902928 MHz, 2 400-2 483,5 MHz et
5,8 GHz. En Europe, les fréquences de
2,4 GHz et 5,8 GHz sont également
disponibles, mais celle de 868 MHz
remplace les 900 MHz, utilisés en téléphonie mobile. Suivant leurs fréquences d’émission, les modules
radio peuvent aussi avoir des caractéristiques différentes. Il faut savoir
par exemple que les fréquences
les plus basses possèdent
une portée et une pénétration d’obstacle
supérieures à celles
des fréquences plus
élevées. Ainsi, avec une
puissance de sortie et une senDigi
sibilité de réception identiques, une onde
émise à 900 MHz a une portée deux fois plus
élevée qu’un signal à 2,4 GHz. Dans certaines
applications, les fabricants préfèrent donc
opter pour les basses fréquences, et commercialisent des systèmes radio à 868 MHz
en Europe, 900 MHz aux Etats-Unis ou au
Canada, et 2,4 GHz au Japon (où aucune
solution à basse fréquence n’est autorisée).
Si les modules radio possèdent d’entrée de
jeu les certifications adéquates, ces fabricants
pourront réaliser des économies sur les tests
obligatoires dans les différents pays et raccourcir de plusieurs mois les délais de commercialisation.
La topologie des réseaux. Les fréquences
ne sont pas les seules contraintes à prendre
en compte dans la sélection des périphériques radio. Il faut aussi déterminer l’architecture du réseau formé par les émetteurs et
les récepteurs. Les réseaux les plus simples
sont de type point à point et point à multipoint. Dans une architecture point à point,
l’information circule de proche en proche
entre les différentes composantes du réseau
radio, sans qu’il soit nécessaire d’employer
un point d’accès ou un serveur. Le réseau comporte uniquement
des émetteurs et des récep-
Digi International
propose une large
gamme de modules radio.
Certains sont intégrés
dans une solution “prête à l’emploi”
destinée à une application spécifique.
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Les technologies radio sont désormais relativement bien maîtrisées. Elles sont utilisées dans des applications très variées, de la domotique à la maintenance préventive, en passant par la logistique
ou encore la gestion d’équipements à distance.
teurs (ou des modules pouvant fonctionner
en émetteur-récepteur). La solution, très facile à déployer, est utilisée par exemple pour
assurer la communication entre des sites distants ou étendus.
Dans un réseau point à multipoint, plusieurs
éléments radio sont installés à portée les uns
des autres. Ils partagent des données entre eux
ou avec une radio “maître” qui interroge les
périphériques ou fait office d’arbitre. Cette
station de base est elle-même raccordée par
une liaison filaire au reste de l’infrastructure.
Dans cette configuration, tout équipement
rajouté au réseau doit être situé dans le domaine de portée du point d’accès. La solution, couramment employée dans le domaine industriel, est utilisée notamment dans
les applications de surveillance ou de maintenance préventive, pour remonter des infor-
mations en temps non critique (dans l’eau,
l’énergie, la gestion des équipements électriques, la logistique, etc.).
Choisir un réseau performant
Outre leur simplicité d’installation et d’implémentation, les réseaux point à point et point
à multipoint offrent aussi de bonnes performances en termes de latence et de bande passante. Comme tous les périphériques sont à
portée les uns des autres, la détection des voies
d’acheminement et le transfert des messages
s’effectuent rapidement. Lorsque des équipements industriels le sont également, mieux
vaut donc choisir un réseau simple pour offrir
les meilleurs délais de téléchargement de gros
volumes d’informations.
Que se passe-t-il si tous les nœuds ne sont
pas à portée les uns des autres ? Dans ce cas,
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il est toujours possible d’utiliser des répéteurs qui combinent la fonction d’émetteur
et de récepteur, et assurent la transmission
de l’information sans interpréter ou modifier le signal. Le réseau est ainsi “élargi” à
des périphériques situés à de plus longues
distances. Cependant, il existe une autre solution plus performante : les réseaux maillés
(ou mesh). Ce type d’architecture est plus
complexe à mettre en œuvre, mais il présente de nombreux avantages. Dans la plupart des réseaux maillés, les périphériques
ne répètent pas tous chaque message. Ils
utilisent plutôt un processus de détection
des voies d’acheminement, puis conservent
uniquement la liste des voies les plus fréquemment utilisées. En pratique, chaque
équipement est connecté à ses plus proches
voisins. Si un point ne fonctionne plus, ➜
31
Solutions
Des solutions propriétaires
D’autres technologies de maillage autorisent
la mise en veille de périphériques. C’est le
cas par exemple du DigiMesh, le protocole
de maillage réseau propriétaire de Digi. Les
périphériques sélectionnent un coordinateur
parmi les nœuds du réseau PAN. Celui-ci
envoie des messages périodiques de synchronisation pour que les autres périphériques puissent coordonner leurs intervalles
Les principales topologies
Waspmote : Wireless Sensor
Boards with
XBee© Modules
Routeur
élément terminal
Point à point
Réseau maillé (Mesh)
Point multipoint (étoile)
Centre de contrôle
Il existe plusieurs topologies de réseaux radio. Suivant les besoins, on utilise des architectures simples (comme le point à point)
ou des solutions plus complexes basées sur des réseaux maillés (mesh).
d’activation et de mise en veille. L’autonomie
des batteries dépend bien sûr de la longueur
de l’intervalle de veille, de la durée d’activation du réseau et du nombre d’émissions
effectué. Lorsque le coordinateur sélectionné
est endommagé ou déconnecté, le réseau
peut automatiquement en choisir un autre
pour conserver la synchronisation des différents périphériques.
Si les installations nécessitant la mise en
œuvre de capteurs distants sont souvent peu
exigeantes en termes de transfert de données, les fonctions de mise en veille des équipements alimentés sur batterie jouent un
rôle majeur. Pour ce type d’applications, les
réseaux maillés offrent des avantages que
n’ont pas les réseaux point à point ou point
à multipoint. On préfère alors privilégier ce
type de solutions, même si elle demande
Protocole
Wi-Fi 802.11b
Wi-Fi 802.11a
Wi-Fi 802.11g
Bluetooth 802.15.1
ZigBee 802.15.4
Bande de fréquence
principale
ISM 2,4 GHz
UN-II 5 GHz
ISM 2,4 GHz
ISM 2,4 GHz
ISM 2,4 GHz**
Technologie de codage
DSSS
OFDM
OFDM
FHSS
DSSS
Débit théorique
maximum
11 Mbits/s
54 Mbits/s
54 Mbits/s
3 Mbits/s*
11 Mbits/s
Principales
caractéristiques
Produits matures
et largement
répandus mais
débit relativement
faible et tributaire
d’une bande
de fréquence
souvent encombrée
Utilise une bande
moins encombrée
que le b ou le g.
Robustesse et débit
élevés grâce
à l’OFDM. Mais
portée plus faible
(car fréquence
plus haute). Reste
essentiellement
utilisé aux USA
Standard très
répandu. Débit
théorique élevé,
meilleure
propagation que
le 802.11.b dans
les environnements
multitrajets, mais
utilise une bande
de fréquences
souvent encombrée
Utilisé pour
transmettre la voix
et les données
sur de courtes
distances entre
plusieurs
périphériques
portables.
Avantages
en termes de
robustesse, de coût
et de consommation d’énergie.
Mais portée et
débits relativement
faibles.
Très faible
consommation.
Vise principalement
les applications
avec des capteurs
alimentés sur
batterie. Très utilisé
par exemple
dans le bâtiment
et l’habitat.
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ZigBee/802.15
Wireless Mesh Network
Coordinateur
Spécificités des principaux protocoles
*Dans la version 2.0
**ZigBee fonctionne également à 915 MHz (USA) et à 868,3 MHz (Europe)
Digi
➜ l’information peut passer par un autre
chemin pour arriver à destination.
Il existe ensuite différentes sortes de réseaux
maillés. Et là aussi, certains conviennent
mieux que d’autres à une application donnée. Un réseau ZigBee, par exemple, utilise
trois types de périphériques différents. Le
coordinateur est responsable de la sélection
d’un canal et de la formation du réseau PAN
(Personal Area Network). Le routeur, qui est toujours sous tension, reçoit les informations et
les transfère vers la destination appropriée.
Enfin les terminaux peuvent fonctionner
dans un mode de veille à très faible consommation électrique qui assure aux batteries
une longue durée de vie. Grâce à ces caractéristiques, on retrouve les réseaux ZigBee
dans des applications comme la domotique.
Les routeurs sont alors connectés à des éclairages ou à d’autres périphériques disposant
d’une alimentation secteur continue, tandis
que les terminaux, tels que les interrupteurs
de lampes, fonctionnent de manière autonome sur batterie pendant plusieurs années.
Digi
Solutions
forcément un certain temps de latence entre
le moment où le périphérique passe d’un
mode de veille à un mode actif. Tant que les
problèmes de temps de latence ne sont pas
surmontés, les systèmes radio se limitent aux
applications en temps non critique.
Les différents protocoles. Entre les grands
“standards” que sont Wi-Fi, Bluetooth ou
ZigBee, et les différents protocoles propriétaires développés par les fournisseurs euxmêmes, le choix est là aussi très large. Chacun
d’entre eux, cependant, n’offre pas une topologie spécifique. ZigBee, par exemple, est
aussi bien disponible en point à point, en
point à multipoint ou en réseau maillé. De
même, Wi-Fi se décline en plusieurs architectures, suivant les versions que l’on envisage… Pour choisir, il faut donc considérer
d’autres critères. Rappelons que les technologies de transmission radio sont basées sur
des méthodes de codage (comme le saut de
fréquence, l’étalement de spectre ou
l’OFDM) qui sont chacune destinées à un
environnement bien spécifique. Les différents protocoles ne sont donc pas adaptés
aux mêmes types d’applications.Tout dépend
notamment de la fréquence des messages à
envoyer, de leur longueur, de la qualité de
service (et notamment du degré de sécurité
nécessaire) et surtout de l’environnement
dans lequel s’effectue la transmission.
On l’aura compris, il ne peut pas exister de
module radio “universel” répondant à tous
types d’applications. En théorie, on peut
toujours mettre en œuvre plusieurs
protocoles de transmission sur un processeur
unique. Il est même possible d’associer
plusieurs unités radio offrant des gammes
de fréquences différentes sur le même
circuit imprimé. Il suffirait ensuite de
choisir le canal autorisé dans le pays où la
solution est déployée. Mais la mise en œuvre
de chaque topologie sur un processeur
unique nécessiterait des ressources
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Waspmote : Wireless Sensor Boards with
XBee© Modules
La logistique est l’une des applications typiques des liaisons sans fil. Pour choisir la solution la plus adaptée, il y a de nombreux critères
à prendre en compte. Parmi eux, les fréquences qui sont autorisées dans le pays où la solution est déployée.
Les réseaux maillés sont relativement complexes, mais ils présentent de nombreux
avantages, notamment grâce à un processus de détection des voies d’acheminement.
mémoires importantes. Par ailleurs, plusieurs unités radio frontales s’avéreraient
rapidement volumineuses. Or le critère
d’encombrement peut être critique dans
certaines applications embarquées. Enfin,
cette approche nécessiterait des modules
radio relativement coûteux…
nées (pour demander par exemple à recevoir
des alertes lorsque l’information atteint tel
ou tel niveau). Le paramétrage s’effectue
alors à travers une plate-forme logicielle spécifique, sans modifier le logiciel utilisé pour
l’unité principale hôte.
Avec l’évolution continue des technologies
sans fil, il est possible que de nouvelles options apparaissent encore, et qu’elles se traduisent par de nombreuses variantes dédiées à des applications spécifiques. Si
aucune technologie universelle ne voit le
jour, il est fort probable que ce soit le
concept de modularité qui l’emporte…
Suivant ses besoins, l’utilisateur n’aura donc
qu’à faire son choix parmi toutes sortes de
modules radio interchangeables.
Marie-Line Zani-Demange
D’après John Schwartz, Digi International
Vers un concept d’interchangeabilité
Pour contourner le problème, Digi International propose d’utiliser un autre concept.
Plutôt que s’attacher à des modules radio
universels, il mise sur une approche inédite
basée sur des outils “interchangeables”. La
solution consiste alors à utiliser une sélection
de modules offrant des fréquences et des
puissances d’émission différentes, afin de
choisir l’option qui convient le mieux à l’application envisagée. Par exemple, la gamme
XBee proposée par la société est constituée
de composants destinés à être intégrés sur
un circuit imprimé hôte. Ces modules, qui
ont tous le même format, sont compatibles
broche pour broche et communiquent avec
l’unité hôte à travers un émetteur-récepteur
asynchrone universel de 3,3 V. On peut alors
les remplacer facilement, suivant les besoins
de l’application, sans modifier le circuit hôte.
L’objectif peut être simplement d’adapter le
module intégré au pays auquel il est destiné,
mais aussi de modifier la portée ou la puissance d’émission.
Dans l’approche préconisée par Digi, il existe
des modules utilisés uniquement pour transmettre des données, et des composants programmables par l’utilisateur final. Dans ce
cas, l’industriel peut y ajouter une sorte
d’“intelligence” dans le traitement des don-
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