Il a été prouvé que les réseaux de capteurs de l'Internet des objets (IoT) peuvent améliorer l'efficacité en utilisant des données en temps réel et réduire les temps d'arrêt grâce à la maintenance prédictive, modifiant ainsi les règles du jeu pour l'automatisation industrielle, les énergies renouvelables et les systèmes d'éclairage intelligents. Cependant, à mesure que le système est équipé de plus en plus de nœuds de capteurs sans fil, les concepteurs seront confrontés au défi de savoir comment étendre de manière fiable ces réseaux Internet industriel des objets (IIoT) dans des environnements difficiles, tout en minimisant les coûts de mise en œuvre et d'exploitation, en résolvant les problèmes de congestion du réseau et en garantissant la sécurité.
Cet article décrit les différents problèmes auxquels les concepteurs sont confrontés lors de l'expansion des réseaux IIoT. Présentez ensuite le module Bluetooth (BLE) basse consommation et le kit de développement de Digi, et expliquez comment résoudre rapidement et efficacement les problèmes ci-dessus à l'aide de ces produits.
Défis rencontrés dans l’expansion de l’infrastructure IoT sans fil
L'IIoT implique un large éventail de domaines d'application, parmi lesquels la collecte de données est cruciale pour améliorer l'efficacité et la prévisibilité. En prenant l'éclairage intelligent comme exemple, les capteurs sans fil collectent la lumière ambiante et les données d'occupation, ajustent l'utilisation en temps réel et permettent d'économiser la consommation d'énergie et les coûts associés.
De même, les applications d’énergies renouvelables utilisent des réseaux de capteurs IoT à distance pour surveiller diverses sources d’énergie telles que l’énergie solaire et éolienne. Ces systèmes de surveillance du réseau surveillent l'état et les performances, prédisent les pannes et ajustent dynamiquement l'alimentation électrique du réseau.
Comme dans d’autres domaines utilisant la technologie d’automatisation industrielle, la collecte de données sur les pièces mobiles est essentielle à la mise en œuvre de la maintenance prédictive. L'installation de centaines de capteurs sans fil dans l'ensemble du système industriel peut fournir des informations de données précises, optimisant ainsi les processus, réduisant les travaux de maintenance et réduisant les coûts d'exploitation. Cependant, à mesure que l'échelle des réseaux de capteurs s'étend, des problèmes de performances peuvent survenir, tels que
Interférence : les environnements industriels sont généralement affectés par des interférences électromagnétiques (EMI) de haut niveau générées par les moteurs, les alimentations à découpage et les équipements de soudage à l'arc. Ces EMI peuvent provoquer une réduction intermittente du débit de transmission des données, ce qui affecte sérieusement la transmission efficace des données.
Surpeuplement du réseau : l'utilisation de plusieurs appareils sans fil à proximité peut entraîner une saturation du réseau, entraînant une latence plus importante et des interruptions de connexion, ce qui peut entraver la détection en temps réel et augmenter la consommation d'énergie.
Sécurité : les attaques de pirates informatiques constituent une menace majeure pour les infrastructures critiques telles que l'énergie ou la logistique. Les réseaux de capteurs doivent donc bénéficier d'une sécurité renforcée. Cependant, à mesure que le nombre de points finaux augmente, le nombre de vulnérabilités augmente également.
Un autre défi consiste à intégrer des capteurs sans fil aux protocoles industriels standards. Cette intégration peut impliquer le reformatage et la compression des données pour réduire le trafic réseau ; Cependant, ces processus doivent être effectués sur des appareils et, à mesure que le nombre de capteurs et de protocoles augmente, les coûts et la consommation d'énergie augmenteront également rapidement. De plus, le nombre de capteurs sur site est en constante augmentation, rendant les travaux de maintenance de plus en plus complexes, car une maintenance non prédictive des capteurs est nécessaire qu'il s'agisse d'un dysfonctionnement ou d'un simple remplacement de batterie.
La technologie Bluetooth brille dans l’IIoT à grande échelle
Parmi les nombreux protocoles sans fil IIoT, Bluetooth constitue une solution puissante qui peut résoudre toute une série de problèmes à mesure que les réseaux de capteurs se développent. Par exemple, en utilisant le saut de fréquence adaptatif (AFH), la technologie Bluetooth peut améliorer sa capacité anti-interférence. AFH divisera les données en petits paquets et les transmettra via plusieurs fréquences, puis les recombinera à la réception. Tout paquet de données perdu sera renvoyé après l'envoi d'un rapport de perte pour garantir la fiabilité de la communication et éviter la perte d'informations longues due aux interférences électromagnétiques.
Pour éviter une congestion excessive du réseau, la technologie Bluetooth prend en charge le contrôle de la puissance de transmission par rapport au récepteur une fois la connexion établie. Cette méthode, combinée à l'AFH, permet d'économiser de l'énergie tout en minimisant les interférences électromagnétiques, permettant ainsi à des centaines d'appareils sans fil de fonctionner dans le même espace. De plus, la technologie Bluetooth réduit également les vulnérabilités de sécurité en utilisant de puissants protocoles de cryptage et de vérification élastiques.
Dans le déploiement IIoT, les réseaux de capteurs Bluetooth à grande échelle communiquent principalement via des passerelles conçues spécifiquement pour le couplage avec plusieurs appareils. En construisant des nœuds de capteurs autour de Bluetooth, les développeurs peuvent obtenir une interopérabilité transparente avec les smartphones et les tablettes, simplifiant ainsi le travail de configuration et de diagnostic et améliorant l'efficacité de la maintenance.
Cependant, pour que les réseaux sans fil s'adaptent à l'IIoT, les réseaux de capteurs Bluetooth doivent également s'adapter de manière fiable aux conditions de déploiement difficiles, réduire la consommation d'énergie, améliorer la rentabilité et simplifier la maintenance.
Construire un réseau IIoT à l'aide de modules BLE de qualité industrielle
En utilisant le module et le kit de développement XBee 3 BLU BLE 5.4 de Digi, les concepteurs peuvent déployer rapidement et directement des réseaux IIoT sans fil. Ce module a une plage de température de qualité industrielle de -40 °C à +85 °C et fonctionne en modes veille et veille, répondant ainsi aux exigences de fiabilité et de consommation d'énergie. La consommation actuelle de l'appareil XBee 3 BLU est respectivement de 7,5 milliampères (mA) et 8 microampères (µ A), ce qui peut prendre en charge l'installation à long terme de capteurs à distance dans des endroits difficiles d'accès, afin que des informations précieuses puissent être obtenues sans avoir besoin de remplacer régulièrement la batterie.
Les autres fonctionnalités incluent :
Le débit de transmission de données maximum est de 2 mégabits par seconde (Mb/s), ce qui permet une compréhension détaillée du fonctionnement de machines complexes.
La puissance de transmission maximale est de +8 décibels milliwatts (dBm), ce qui permet d'obtenir une communication haute fidélité dans une portée de vue directe allant jusqu'à 15 mètres en intérieur ou jusqu'à 300 mètres en extérieur.
13 entrées/sorties numériques et 4 entrées de convertisseurs analogique-numérique (CAN) 10 bits, intégration flexible avec différents appareils et interfaces de capteurs
Alimentation de 1,71 V à 3,8 V, sélection flexible de l'alimentation
Digi TrustFence Security pour la protection des appareils et du réseau, y compris le démarrage sécurisé, les ports matériels protégés et l'authentification des appareils
La programmabilité avancée de MicroPython permet le développement rapide de systèmes de traitement de données et de prise de décision sur les appareils
Obtention de certifications réglementaires complètes en Amérique du Nord (FCC, IC) et en Europe (ETSI)