Méthodes de communication d’optimisation énergétique utilisées dans les applications industrielles

Lors de la sélection d’une méthode de communication pour les appareils IIoT dans les applications industrielles, plusieurs facteurs doivent être pris en compte : débit maximal, plage de distance, disponibilité dans la zone de déploiement et consommation d’énergie. Les technologies de communication pour la fabrication intelligente sont abordées dans la section 3 du livre blanc, « Solutions intelligentes pour l’efficacité énergétique » (cliquez ici pour en savoir plus). Cet article de blog traite des principaux protocoles de communication et de leur impact sur la consommation d’énergie.

Les applications IIoT contiennent des groupes de capteurs connectés à des nœuds de capteurs. Le temps de transmission est déterminé par la distance entre deux nœuds, le débit de données et la taille du message, qui ont tous un impact sur l’optimisation de l’énergie. En effet, plus le débit de données est élevé, moins il faut de temps pour recevoir/transmettre des données, d’où une réduction de la consommation d’énergie. Les nœuds de capteurs sont généralement des dispositifs alimentés par batterie, dont la durée de vie est influencée par plusieurs facteurs externes comme la technologie, la conception et la qualité de fabrication de la batterie.

L’adoption d’une solution de connectivité sans fil fournirait une consommation d’énergie extrêmement faible au niveau des appareils, tout en conservant la capacité de transmettre rapidement d’énormes quantités de données sur des distances variables, tout cela pour rester économiquement viable.

Technologies de communication sans fil utilisées dans les applications industrielles :

Comme illustré dans l’image ci-dessous, il existe généralement trois classes pour identifier la portée d’un réseau sans fil pour les applications industrielles : les réseaux personnels sans fil (WPAN), les réseaux locaux sans fil (WLAN) et les réseaux étendus sans fil (WWAN).

Fig. 1 : Technologies de connectivité sans fil

Les WPAN couvrent généralement une portée d’environ 100 m. Ces appareils, tels que les connexions BLE, ZigBee, NFC et Thread, ont souvent une faible énergie de transmission radio et fonctionnent avec de petites batteries. La plupart du temps, ces appareils sont en mode veille. Lorsqu’un événement se produit, l’appareil se réveille et envoie un court message à une passerelle, un PC ou un smartphone. Un module BLE typique a une consommation électrique maximale/de crête de 39 mA ou moins, tandis que la consommation électrique moyenne est d’environ 9 μA. La consommation d’énergie active est un dixième de celle de la technologie Bluetooth conventionnelle. Dans les applications à faible cycle de service, une pile bouton peut fournir 5 à 10 ans de fonctionnement fiable.

Les WLAN couvrent généralement une portée allant jusqu’à 1 000 m. Le Wi-Fi est la norme la plus courante. 802.11ax est l’une des dernières générations de normes Wi-Fi, également appelée Wi-Fi 6. Le Wi-Fi 6 offre des débits de données et une capacité plus élevés, jusqu’à 9,6 Gbit/s, et fonctionne à la fois dans le spectre 2,4 GHz et 5 GHz. Le Wi-Fi 6 introduit également une nouvelle technologie qui optimise les besoins en énergie côté client. Le Target Wake Time (TWT) réduit la consommation en permettant au point d’accès et au client de négocier exactement quand le récepteur doit se réveiller pour entendre la transmission de l’expéditeur.

Les WLAN couvrent généralement une portée allant jusqu’à 100 km. La technologie cellulaire (2G, 3G et 4G) est utilisée pour la connectivité des appareils distants à longue portée. La technologie 5G actuellement déployée promet une bande passante massive et une latence extrêmement faible qui pourraient favoriser son adoption. La connectivité cellulaire s’est historiquement concentrée sur la portée et la bande passante au détriment de la consommation d’énergie. La grande quantité de données produites par les appareils était difficile à traiter rapidement et le temps entre le moment où les données sont envoyées depuis un appareil connecté et le moment où elles reviennent sur le même appareil (la latence) était élevé. Cependant, les nouvelles technologies cellulaires telles que la 5G transmettent les données environ 10 fois plus rapidement que la 4G, promettant une latence ultra-faible et une consommation d’énergie réduite.

Les technologies de réseau étendu à faible puissance (LPWAN) sont bien adaptées aux besoins spécifiques de la communication machine à machine (M2M) et des appareils IoT. La technologie offre une faible puissance et une longue portée (de 10 à 50 km en zones rurales et de 1 à 10 km en zones urbaines). Le réseau fonctionne à la fois dans le spectre sous licence (NB-IoT et LTE-M) et sans licence (Sigfox et LoRa).

Le LTE-M est optimisé pour une bande passante plus élevée et les connexions mobiles. Il offre une réduction de la bande passante de l’appareil de 1,4 MHz à la fois sur la liaison montante et la liaison descendante, une puissance de transmission maximale réduite de 20 dBm, une amélioration de la couverture LTE correspondant à 15 dB pour la méthode FDD (Frequency Division Duplex) et améliore le cycle LTE DRX pour permettre des périodes d’inactivité plus longues et, par conséquent, optimiser la durée de vie de la batterie. Le NB-IoT offre des connexions de données à faible bande passante, avec une bande passante de périphérique de 200 kHz sur la liaison montante et la liaison descendante. Il offre également une amélioration de 20 dB de la couverture LTE.

Sigfox et LoRa sont des protocoles de communication asynchrones. Les terminaux Sigfox et LoRa sont en mode veille la plupart du temps en dehors des opérations, ce qui réduit la quantité d’énergie consommée. Sigfox, LoRa fournit la classe C pour gérer une faible latence bidirectionnelle au détriment d’une consommation d’énergie accrue.

Farnell s’est associé à de nombreux fournisseurs différents pour proposer un large éventail de technologies de communication et de solutions, par exemple : Passerelles et kits de réseau, modules RFID, modules de mise en réseau, modules Bluetooth, modules Zigbee, sous-GHz, capteur, contrôle de réseau sans fil, contrôle de processus sans fil, kits de développement RF/sans fil