Les nouvelles applications des communications sans fil dans l

Organisation :
Journée technique
Les nouvelles applications
des communications sans fil dans l’industrie
le 12 mai 2004 à Paris, Espace Hamelin
en partenariat avec le GIMELEC
Introduction
L'introduction des communications sans fil constitue une véritable révolution dans la vie
quotidienne et dans le monde de l’informatique.
L’ouverture de nouvelles bandes de fréquence est un nouveau Far West. Le cadre normatif évolue
rapidement et plusieurs technologies se développent en parallèle : Wi-Fi, Blue Tooth, Zigbee,
TETRA, WiMax, sans oublier l’infrarouge, chacune ayant ses points forts et ses domaines
d’application privilégiés.
Dans l’industrie, de premières applications se font jour :
• liaison avec du matériel ou des équipements mobiles
(robots de manutention, contrôle de pression)
• liaison avec des équipements dispersés (réservoirs, pipelines)
• maintenance,
• relevé de compteurs,
• lecture de codes barre
• traversée de routes etc.
L’enjeu est considérable puisqu’il s’agit purement et simplement du remplacement du
câblage. Cette évolution doit toutefois se traduire pour l’industrie par les mots disponibilité,
fiabilité, sécurité, interopérabilité et compétitivité.
La journée du 12 mai fera un point sur l’état de l’art et tentera de répondre aux questions que
chacun se pose sur les évolutions en cours. De nombreux experts seront présents pour animer les
débats.
Cette journée d'étude est organisée conjointement par l'ISA et la SEE, en partenariat avec le
GIMELEC.
Créée en 1945 à Pittsburgh, USA, sous le nom "Instrumentation Society of America",
l'association regroupait à l'origine 18 sociétés savantes locales dont l'ambition était de former
une organisation nationale. Le but a été atteint. Presque 60 ans plus tard, l'ISA compte plus de
37000 membres et couvre plus de 100 pays ! L'ISA est une organisation à but non lucratif dont
la mission est de " faire progresser la compétence et la carrière de ses membres dans les
domaines de l'Instrumentation, des Systèmes et de l'Automation".
La renommée de l'association, particulièrement en Europe, s'est faite autour de son travail de
normalisation. L'ISA ne compte pas moins de 175 groupes de travail dont la mission est de
préparer les documents qui deviendront des références pour des millions de professionnels à
travers le monde. A cet égard, plusieurs membres de la section France sont particulièrement
actifs au sein de ces groupes de travail. L'ISA, c'est aussi le salon du même nom; le plus grand
d'Amérique du nord dédié à l'automatisme et à l'instrumentation.
SEE (Société de l'Electricité, de l'Electronique, et des Technologies de l'Information et de la
Communication)
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Organisation :
Journée technique
Les nouvelles applications
des communications sans fil dans l’industrie
le 12 mai 2004 à Paris, Espace Hamelin
en partenariat avec le GIMELEC
Sans-fil et applications industrielles
Ce qu’il faut savoir…
Le domaine des communications sans fil est en
mutation rapide. Il offre des perspectives
d’application
allant
bien
au-delà
des
communications phoniques et des utilisations dans
la
bureautique
et
l’informatique.
Le « sans-fil » (wireless), de quoi parle –t-on ?
Ce qui vient d’abord à l’esprit c’est le téléphone
« portable » et la technologie de réseaux cellulaires,
aujourd’hui le GSM et le GPRS (pour la transmission
de données), bientôt l’UMTS. Ces réseaux sont
réglementés et administrés, utilisant des bandes
exclusives de fréquence.
On s’intéressera ici à d’autres types de
communications, moins connus du grand public
mais néanmoins très prometteurs.
Les liaisons infrarouges, le précurseur du sansfil
Les liaisons infrarouges sont utilisées depuis
longtemps. L’IrDA (Infrared Data Association) en a
standardisé les caractéristiques. Elles travaillent en
modulation par impulsion à des longueurs d’onde
de 875 +/- 30 nm et permettent des transmissions
de 2,4 à 115,2 kbits/s dans la version de base 1.0
(4 Mbits/s dans les versions plus évoluées).
Les limitations principales des liaisons infrarouges
tiennent à la faible distance compatible avec un
taux d’erreur acceptable (typiquement de l’ordre
de 1m) et au fait que les appareils connectés
doivent être en regard direct l’un de l’autre.
WPAN et WLAN
Pour s’affranchir de ces limitations plusieurs
concepts de réseaux locaux radio se sont
développés, à la faveur notamment de la libération
de bandes de fréquences. Ces techniques sont
aujourd’hui utilisées de façon dominante pour les
communications phoniques et pour le transfert de
données
entre
équipements
informatiques.
Toutefois, elles offrent pour les applications
purement industrielles des perspectives au moins
égales à celle du désormais classique « fieldbus ».
Un PAN (Personal Area Network) et notamment un
WPAN (Wireless Personal Area Network) a pour
vocation de relier sur une courte distance des
équipements appartenant à l’environnement d’un
petit groupe de personnes soit entre eux et soit
avec d’autres réseaux tels que l’Internet. La portée
en est de quelques mètres.
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Les Wireless Local Area Network (WLAN) offrent
des fonctionnalités qui, dans leurs principes sont
similaires à celles des WPAN mais qui couvrent une
zone plus étendue, typiquement l’emprise d’un
établissement industriel ou tertiaire (hôtel,
aéroport, etc.).
Il existe une zone de recouvrement entre les WPAN
et les WLAN de même qu’il existe un recouvrement
entre les WLAN et les réseaux administrés du type
GSM ou UMTS du fait notamment de la connexion
possible par satellites des zones desservies par un
WLAN.
Bluetooth
Bluetooth est l’exemple type de WPAN. Développé
par un consortium de plus de 2000 membres,
Bluetooth utilise la bande des 2,4 Ghz, désignée
bande ISM (Industrial, Scientific and Medical)
utilisable désormais sans licence dans la plupart
des pays.
Bluetooth utilise les techniques d’étalement de
spectre et de saut de fréquence (FHSS : Frequency
Hoping Spread Spectrum), conduisant à faire
effectuer au signal 1600 sauts de fréquence par
seconde entre 79 fréquences à 1 MHz d’intervalles.
Le débit est de 1 Mbits/s.
Le saut de fréquence réduit considérablement les
probabilités d’interférence et présente des
avantages sur le plan de la sécurité. La
spécification Bluetooth contient les éléments
nécessaires pour assurer l’interopérabilité de
composants types tels que les téléphones
cellulaires, les caméras numériques, les PDA etc.
Son
utilisation
dans
le
domaine
de
l’instrumentation est tout à fait envisageable.
Un inconvénient de Bluetooth est sa portée limitée
aux environs de quelques mètres mais une
extension est possible jusqu'à 100 mètres avec
amplificateur de puissance.
Bluetooth a été normalisé par l’IEE sous la
référence 802.15.1. Une version plus performante
(55 Mbits/s à 100 m) vient d’être adoptée sous la
référence 802.15.3.
Zigbee
Sous la référence IEEE 802.15.4, la solution Zigbee
opère à 2,4 GHz et permet de connecter juqu’à
255 matériels sur des distances de l’ordre de 30
mètres.
L’avantage de cette solution est la consommation
électrique très faible au niveau des équipements.
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en partenariat avec le GIMELEC
Sans-fil et applications industrielles
Ce qu’il faut savoir (suite) …
Le Wi-Fi (Wireless Fidelity)
Le Wi-Fi est l’exemple type de WLAN. Il est né de
la libération de la bande ISM et des travaux de
plusieurs groupes de travail de l’IEEE. Son
implémentation la plus répandue est celle de la
norme 802.11.b.
802.11.b utilise, comme Bluetooth, la bande ISM à
2,4 GHz. Mais son codage est différent. 802.11.b
fonctionne à 11 Mbits/s en étalement de spectre
(DSSS : Direct Sequence Spread Spectrum) dans la
bande 2,4000-2,4835 GHz découpée en 14 canaux
avec des variantes selon les pays.
802.11.b équipe les hot-spots installés couramment
dans les lieux publics qui assurent un routage des
trames IP vers ou depuis l’Internet.
La portée du 802.11.b est typiquement de quelques
dizaines de mètres mais le débit décroît
automatiquement en cas d’interférences ou de
mauvaise réception. Le point faible du 802.11.b est
de pas être sécurisé par défaut et de proposer des
options de sécurité relativement facilement
franchissables.
Deux variantes du 802.11.b se développent en
parallèle :
- la 802.11a qui opère dans la bande des 5Ghz (
entre 5,200 et 5,805 GHz aux USA) et permet de
communiquer à 54 Mbits/s en utilisant la méthode
de codage OFDM (Orthogonal Frequency Division
Multiplexing) de préférence à FHSS et DSSS. L’OFDM
est une solution réputée beaucoup plus robuste que
la DSSS pour interpréter les signaux ayant suivi
diverses réflexions.
- la 802.11g, qui opère dans la même bande de
fréquences que la 802.11b (2,4 GHz) mais offre en
complément le codage OFDM et un débit allant
jusqu’à 54 Mbit/s.
Enfin, le forum Wimax (802.16) a été constitué
récemment avec pour objectf d’offrir des rayons
d’action de 20 à 50 kilomètres et un débit de 70
Mbits/s.
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TETRA (TErrestrial Trunked Radio)
Pour couvrir les besoins spécifiques de certaines
catégories professionnelles, la norme TETRA a été
établie par 19 pays dans le cadre de l’ETSI (Institut
européen des normes de télé communications).
Le système TETRA offre, par rapport au GSM,
certains avantages :
. l’établissement d’appels très rapide,
. le transfert de données par SDS (Short Data
messages),
. les appels de groupe,
. la gestion des priorités.
TETRA permet d’encapsuler dans des SDS des
trames IP et constitue une autre façon, pour le
monde industriel, de se connecter à l’Internet.
Quel enjeu pour les applications industrielles ?
Ce rapide survol des technologies émergentes
montre
le
dynamisme
de
l’innovation
technologique dans le domaine des communications
sans fil.
A coup sûr, cette évolution aura des répercussions
majeures la conception les systèmes de contrôle
commande des procédés.
Aujourd’hui, de premières applications se font
jour :
. liaison avec du matériel tournant (plate forme de
forage, contrôle de pression des pneus, machine
tournante) ou mobile (robot de manutention),
liaison avec des équipements dispersés (réservoirs,
pipe line, distribution d’eau),
maintenance,
. relevé de compteurs,
. lecture de code barre (tri de bagages),
. traversée de routes, de voies ferrées.
Mais l’enjeu à terme est plus important puisqu’il
s’agit purement et simplement de la suppression
du câblage.
Bien sûr un certain nombre de réponses doivent
être apportées à des questions essentielles :
. disponibilité
. sécurité (lutte contre les intrusions, refus de
service)
. compétitivité
La situation évolue vite et il est essentiel pour les
ingénieurs de se tenir étroitement informés de
l’évolution des technologies et de l’offre technique.