Convergence des technologies de communication sans fil

30/04/2014
Convergence des technologies de communication sans fil dans l’opération
communication sans fil dans l’opération d’un bâtiment : du contrôle immotique aux intercoms tactiles
Par Marc Dugré, ing.
Président
és de t
Principes généraux et nomenclature
ƒ Émetteur
ƒ Récepteur
ƒ Émetteur‐récepteur
ƒ Signaux point à point
ƒ Signaux répétés
ƒ Topologie maillée
ƒ Topologie en étoile
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Technologies disponibles
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
EnOcean
ZigBee
Bluetooth
Wi‐Fi
Avantages et inconvénients
Convergence des produits de télécommunication
Avenir
Technologies disponibles
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EnOcean
ƒ Généralités
≈ Entreprise dérivée de Siemens (2001)
≈ Technologie brevetée et propriétaire d’onde radio relié à des mécanismes de récolte d’énergie, matériel‐logiciel
≈ Norme internationale IEC14543‐3‐10 pour les communications sans fil totalement interopérable, ouverte et comparable aux normes Bluetooth et Wi‐Fi
p
,
≈ EnOcean Alliance profil EEP, 350 membres de l’alliance
≈ 250 000 bâtiments avec EnOcean dans le monde
EnOcean
ƒ Caractéristiques techniques
≈ Fréquence : – 868 MHz ASK (Europe)
– 315 MHz ASK (Amérique)
– 902 MHz FSK (Amérique)
≈
≈
≈
≈
≈
Protocole léger, télégrammes courts (1‐4 octets)
Identification unique 32 bits
p
p
Protocole point à point
Protocole ouvert, mais propriétaire
Protocole embarqué dans la quincaillerie
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EnOcean
ƒ Avantages
≈
≈
≈
≈
Énergie : 80 nanoampères (1 goutte d’eau de 1 °C = 25 000 messages)
Permet de récolter l’énergie dans l’environnement
Autonomie, sans pile
Protocole éprouvé, profil connu
ƒ Inconvénients
≈
≈
≈
≈
Coût
Pas de contrôle sur la puissance
Impossible d’implanter le protocole dans une autre radio
Limite dans les applications en raison de la faible puissance
EnOcean
ƒ Applications
≈
≈
≈
≈
≈
≈
Interrupteur (éclairage)
Relais (éclairage)
Sonde de température/humidité
Sonde de luminosité
Détecteur de présence
Contact de porte/fenêtre
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Technologies disponibles
ZigBee
ƒ Généralités
≈ Début en 1998 par des installateurs qui réalisaient que le Wi‐Fi et Bl t th
it i dé
t
l i
li ti
Bluetooth serait inadéquat pour plusieurs applications
≈ Inspirée de Bluetooth, courte distance, moins chère et plus simple (25 % du code de Bluetooth)
≈ Standard IEEE 802.15.4 (2003)
≈ ZigBee version 1.O (2004)
≈ Protocole de haut niveau pour communications de petit ratio pour réseau à dimensions personnelles (PAN)
é
à di
i
ll (PAN)
≈ ZigBee Alliance (2002) , profil Home Automation, Smart Energy, etc.
≈ Grande portée par rapport à sa puissance, puisque la vitesse de transmission est plus faible (Wi‐Fi) et son réseau est maillé
≈ 400 membres de l’alliance
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ZigBee
ƒ Caractéristiques techniques
≈ Fréquence
– 868 MHz (Europe)
– 915 MHz (Amérique)
– 2,4 GHz (mondial)
≈ Protocole de haut niveau, 250kbit/s
≈ Protocole ouvert et indépendant du matériel
y
g
≈ Système de routage élaboré avec autodécouverte.
ZigBee
ƒ Avantages
≈
≈
≈
≈
Réseau maillé et robuste
Puissance d’émission modulable
Protocole éprouvé, profil connu
Prix
ƒ Inconvénients
≈ Consomme trop d’énergie pour être autonome (sans pile)
≈ Pas de compatibilité entre les différents profils (Smart Energy, Home Automation, propriétaire)
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Technologies disponibles
Bluetooth
ƒ Généralités
≈ Inventé en 1994 par Ericsson
≈ Utilisé surtout dans les domaines de l’audio et des données
– L’application la plus connue est probablement celle des oreillettes de téléphones cellulaires
≈ Transfert simple de données entre 2 appareils équipés de radio Bluetooth
≈ Nombreux appareils en sont maintenant équipés :
– Voitures, claviers, radios et systèmes de son, tablettes, etc.
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Bluetooth
ƒ Caractéristiques techniques
≈ Généralement utilisé entre 2 appareils
– Maximum 7 appareils en réseau (si supporté)
≈ Fréquence de 2,4 GHz sur 79 canaux de 1 MHz de largeur
≈ Récemment, Bluetooth Smart – Très faible consommation
≈ 3 classes radio
Classe
Puissance (mW)
Puissance (mW)
Portée (m)
1
2
3
100
2,5
1
100
10
1
Bluetooth ƒ Avantages
≈
≈
≈
≈
≈
Fiabilité Association simple
Faible consommation (Bluetooth Smart)
Transmission en continu
Interconnexion entre différents types d’appareils
– Ex. : ordinateur vers radio
≈ Diffusion
ƒ Inconvénients
≈ Trop énergivore pour auto‐alimentation
≈ Ne peut être maillé
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Technologies disponibles
Technologie disponible
ƒ Généralités
≈ Précurseur = NCR et AT&T
≈ D’abord utilisé pour des réseaux informatiques (WLAN), entre ordinateur et internet
≈ Point d’accès/routeur
≈ Permet une connectivité entre de multiples appareils
≈ Récemment :
–
–
–
–
–
Lecteur Blu‐ray
Lecteur Blu ray
Thermostat
Téléphone intelligent
Réfrigérateur
Imprimante
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Wi‐Fi
ƒ Caractéristiques techniques
≈
≈
≈
≈
≈
≈
Fréquences : 2,4 GHz et 5 GHz (puissance max. 100 mW)
Vitesse : 11 Mbit/s à 600 Mbit/s
11 canaux de 22 MHz chacun, dont 3 qui ne chevauchent pas
20 m de portée type à l’intérieur
Protection par clé de cryptage (WEP, WPA, WPS)
Topologie : – Point d’accès central avec stations P i t d’ è
t l
t ti
– Connexion ad hoc entre deux stations
– Réseau maillé (quelques applications)
Wi‐Fi
ƒ Avantages
≈ Configuration simple et unifiée
– Tant que le protocole 802.11x est supporté
≈ Vitesse de transfert très élevée
≈ Sécuritaire (WPA, WEP, etc.)
ƒ Inconvénients
≈
≈
≈
Énergivore
Portée typique d’environ 20 m
P té t i
d’ i
20
Le fait que plusieurs réseaux à proximité sont sur un même canal peut causer de l’interférence
≈ Ne peut être maillé (sauf 802.11s)
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Comparaison des technologies disponibles
Technologie
EnOcean
ZigBee
Bluetooth
Wi‐Fi
Alimentation
Sans pile, solaire ou électrodynamique
Piles
Piles rechargeables
Alimentation secteur
Autonomie
≈ 20 jours (thermostat)
Quelques mois à quelques
années
Quelques jours
S/O
Énergie requise
(sur 2 minutes)
1 W = 1 J/s
0,00004 joule
1,2 joule
7,2 joules
12 joules
Portée maximale
(point à point)
30 m
1000 m
10 m (classe 2)
50 m
Portée typique
20 m
100 m (entre nœuds)
(
)
500 m (réseau maillé)
10 m
30 m
Fréquence et modulation
868 MHz (Eur.) ASK 315 MHz (Amér.) ASK 902 MHz (Amér.) FSK 868 MHz (Eur.)
915 MHz (Amér.)
2,4 GHz (mondial) O‐QPSK
2,4 GHz FHSS
2,4 GHz
5 GHz
(plusieurs modulations)
Canaux et largeur
de bande
1 (2 kHz)
16 (5 MHz)
(pour le 2,4 GHz)
79 (1 MHz)
11 (22 MHz)
(pour le 2,4 GHz)
Vitesse de transfert
4 octets/télégramme
250 kb/s
1 à 24 Mb/s
11 à 600 Mb/s
Comparaison Wi‐Fi – ZigBee
Largeur de bande : 22 MHz
Largeur de bande : 2 MHz
11 canaux Wi‐Fi
16 canaux ZigBee
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Énergie requise
ƒ Pourquoi la consommation d’énergie d’une technologie est si importante
ƒ Impact sur la puissance d’émission sur la sélection des composantes, émetteur, récepteur, émetteur‐récepteur
Énergie consommée et portée
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Fiabilité
Réalisations
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
500 Grande‐Allée, Québec
Édifice Lampron, Trois‐Rivières
Aéroport Montréal‐Trudeau, Montréal
Institut de réadaptation Gingras‐Lindsay, Montréal
Centre de gériatrie Maimonides, Montréal
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500 Grande‐Allée – Québec
ƒ Bâtiment de 1963 rénové en 2012
ƒ Contraintes architecturales :
≈ Murs rideaux partout
≈ Aires ouvertes
ƒ Contrôle de CVC
≈ Contrôle sans fil de 900 radiateurs
di t
ƒ Contrôle d’éclairage à commande sans fil ƒ Intégration au réseau BACnet
500 Grande‐Allée – Architecture
Sur 6 étages
BACnet/IP
120‐347 Vca
60 contrôle rs
60 contrôleurs
115 thermostats
900 actionneurs
Eau chaude‐froide
24 Vca
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Édifice Lampron – Trois‐Rivières 2010
ƒ Édifice patrimonial
ƒ Structure apparente :
≈ Murs de brique ≈ Plafonds/planchers de bois
ƒ Ajout de :
≈ 140 ventilo‐convecteurs
≈ 140 contrôleurs ZigBee
≈ 140 sondes de température EnOcean reliées entre elles par des antennes à double technologie
Édifice Lampron – Architecture 5 étages typiques
BACnet/IP
4 par étage
4 par étage
30 par étage
30 par étage
Eau chaude
‐froide
24 Vca
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Aéroport Montréal‐Trudeau – Montréal ƒ Terminal international – rénovation des accès de sécurité
ƒ Aire ouverte, structure métallique
ƒ Installation de sondes de température sur les colonnes de métal
Institut de réadaptation Gingras‐Lindsay – Montréal ƒ Bâtiment existant chauffé à l’eau
ƒ Installation de :
≈ 170 soupapes avec moteur à communication ZigBee
≈ 170 thermostats EnOcean
ƒ Avantages
≈ A
Aucun conduit en surface
d it
f
≈ Travaux exécutés dans un bâtiment occupé
≈ Contrôle centralisé
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Centre de gériatrie Maimonides – Montréal ƒ Bâtiment existant, chauffage à l’eau chaude, i dé é i é
tuyauterie détériorée
ƒ Radiateurs remplacés par des convecteurs électriques
ƒ Installation de :
≈ 300
300 relais triac ZigBee dans relais triac ZigBee dans
les convecteurs par le manufacturier
≈ 300 thermostats EnOcean dans le bâtiment occupé
Centre de gériatrie Maimonides – Montréal ƒ Avantages
≈ Aucun conduit en surface
≈ Installation dans un bâtiment occupé
≈ Contrôle centralisé
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Centre de gériatrie Maimonides – Architecture Sur 4 étages
BACnet/IP
24
24 contrôleurs
t ôl
292 thermostats
398 plinthes électriques avec relais triac
347 Vca
Tableau de bord d’énergie (2008)
ƒ En 2008, design de la Cité Verte à Q éb
ù h
Québec où chacun des 800 condos reliés au réseau de chauffage urbain avait son afficheur de consommation d’énergie
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Convergence Ö tablettes 2010
Tablettes
ƒ En 2013
≈ 195 000 000 de tablettes vendues
– 121 000 000 Android = 62 %
– 70 000 000 Apple = 36 %
≈ Première fois qu’Android surpasse Apple
ƒ Android :
≈
≈
≈
≈
Réseau ouvert
Environnement ouvert
Environnement ouvert
Accès au bas niveau (Linux)
Beaucoup d’opportunités pour l’immotique grâce au Wi‐Fi et Bluetooth enbarqués
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Tablettes
ƒ La popularité des tablettes et des téléphones intelligents a généré la création et l’amélioration des réseaux Bluetooth Wi Fi
et Wi‐Fi
ƒ En parallèle, il y a eu beaucoup de développement de réseaux particuliers tels que ZigBee
ƒ La popularité des tablettes a aussi contribué à l’essor de nombreuses applications, dont plusieurs en domotique
La tablette comme interface personne‐machine
ƒ En mode web
≈ En remplacement d’un PC
≈ Relié à un contrôleur avec service web
– Cité Verte
≈ Relié à un site web
– enteliWEB
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La tablette comme interface personne‐machine
ƒ En mode hybride, web et App
≈ En remplacement d’un PC
≈ Relié à plusieurs contrôleurs avec service web
La tablette comme interface personne‐machine
ƒ Avec une application
≈ Pile BACnet embarquée dans l’application
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La tablette comme gestionnaire de bâtiment BACnet avec VoIP
ƒ À la demande d’un client, la commission scolaire des Samares, nous avons développé une application d’intercom à interface tactile dans l’environnement Android
Intercom à interface tactile
ƒ Module et fonctionnalités :
≈ Appel intercom par clic sur plan ou par liste
– Appel personne à personne, appel général
– Sélection dynamique des aires et des groupes
≈ Gestion des urgences
– Appel d
urgence avec Appel d’urgence
avec
cascade
– Alerte incendie
– Alerte code orange
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Intercom à interface tactile
ƒ Module et fonctionnalités :
≈ Horloge au choix analogique/numérique à la page de veille
≈ Carillons
– Sonneries au choix
– MP3
Intercom à interface tactile
ƒ Module et fonctionnalités :
≈
≈
≈
≈
Listes d’absences
Liste musicale
Météo
Contrôle d’éclairage et HVAC (pile BACnet)
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Intercom à interface tactile
ƒ Avantages
≈ Beaucoup plus évolué qu’un intercom traditionnel
≈ Interface avec la gestion de bâtiment
– Remplace le thermostat et le contrôle d’éclairage
≈ Système ouvert, nombreuses possibilités d’ajout de fonctionnalités
≈ Mise à jour et ajout de fonctionnalités facile et possible à distance
≈ Produit de consommation de masse, peu dispendieux
ƒ Inconvénients
≈ Réseau Wi‐Fi doit être robuste, constant et maintenu
≈ Maintenance plus complexe
Intercom à interface tactile
ƒ Connexion Ethernet câblée
ƒ Développement du support physique (USB→Ethernet) et des pilotes
ƒ Gestion de la pile
ƒ Verrouillage de l’application
ƒ Gestion de la veille et du redémarrage automatique
ƒ Configuration et mise à jour à distance
ƒ Nouvelle tablette non mobile
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L’avenir
ƒ Changement de philosophie dans les SE mobiles
≈ Arrivée de SE plus complets (SE hybrides)
– Windows 8
– Rumeur Apple iOS/MacOS
≈ Nouvelle génération de tablettes Android moins mobiles, supportant la connectivité Ethernet, avec haut‐parleurs et clavier
≈ Les tablettes conçues à l’origine pour la mobilité et l’accès Internet, grâce à l’ouverture d’Android, s’ouvrent à un marché beaucoup plus grand
L’avenir
ƒ Bluetooth
≈ Parce que Bluetooth est déjà embarqué dans les téléphones et les tablettes, certains prédisent une révolution dans l’intégration de petits appareils
≈ Bluetooth Smart
Domotique
Santé
Sports
Immotique
Éclairage
Pression artérielle
Sonar (pêche)
Température
HVAC
Rythme cardiaque, R th
di
CO2
Télescope
(chasse)
Tél
( h
)
Humidité
H idité
Sécurité
Glycomètre
GPS
Luminosité
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L’avenir
ƒ ZigBee
≈ ZigBee powered by EnOcean (Phillips)
≈ Mieux adapté à l’immotique et aux PAN (personal area network)
≈ Déjà des dizaines de sondes, actionneurs, relais, etc.
≈ Immotique‐domotique, éclairage, HVAC
≈ Détection industrielle
– Vibration
– Courant AC
≈ Détection agricole
– Irrigation
≈ Compteur d’énergie intelligent
Conclusion
ƒ Nombreuses solutions existantes et éprouvées
ƒ Le choix du bon support (EnOcean, ZigBee, Wi‐Fi, Bluetooth) est essentiel
de possibilités à venir pour les réseaux personnels (ZigBee et
ƒ Beaucoup
Beaucoup de possibilités à venir pour les réseaux personnels (ZigBee et Bluetooth)
ƒ Autres technologies à surveiller : ≈ ULP‐Wi‐Fi, ANT+, 6LowPAN, ULE, NFC, RFID
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Merci!
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