Connecter les applications de l'Internet des objets sans fil à l'aide du spectre > 1GHz

par Magnus Pedersen, Directeur, Atmel

L'emploi de communications de données sans fil à faible puissance a pénétré tous les aspects de notre quotidien. Des jouets télécommandés sans fil, aux interphones de surveillance jusqu'aux applications d'automatisation dans les maisons, bon nombre de ces conceptions font appel au spectre de radiofréquences de 2,4 GHz et sont soumises à la norme IEEE 802.15.4. Conçus pour supporter le nombre incroyable d'applications possibles nécessitant une courte distance et de faibles débits de données et différents du Wi-Fi et du Bluetooth, la norme vise les produits qui ont une consommation de puissance extrêmement faible, et qui peuvent fonctionner pendant de nombreuses années sans entretien à partir d'une seule pile ou batterie.

Dénommé également la bande ISM (industrie, science et médical), ce domaine particulier du spectre des radiofréquences est devenu surchargé. Déjà partagé avec tout, des fours à micro-ondes, routeurs Wi-Fi aux casques Bluetooth, il est de plus en plus nécessaire d'ouvrir plus de spectres de fréquences pour accommoder le besoin croissant d'une production de données et de liaisons fiables. Alors que les protocoles de niveaux de liaison ont été conçus pour supporter les interférences par l'emploi de techniques telles que la commutation des canaux et la modulation à spectre étalé, leur impact peut affecter le débit de données.

Lorsque la première norme IEEE 802.15.4 a été émise en 2003, la spécification fournissait 16 canaux à 2,4 GHz, 1 canal à 868 MHz et 10 canaux à 928 MHz. Des mises à jour récentes apportées à la norme ont étendu le nombre de canaux disponibles en-dessous de 1 GHz. Destinés initialement à l'Europe et l'Amérique du Nord, le nombre de nouveaux canaux en question est maintenant en expansion en Europe (3 canaux) et en Amérique du Nord (30 canaux).

La version la plus récente de l'IEEE 802.15.4 prend également en charge les nouvelles bandes inférieures à 1GHz en Chine (779-787MHz) et au Japon (915-930MHz). En plus d'offrir un spectre moins chargé pour les applications ISM, l'emploi de fréquences 769 - 935 MHz procure des caractéristiques de propagation plus fiables à l'intérieur des bâtiments, ce qui convient particulièrement à des applications telles que les compteurs électriques intelligents, l'éclairage industriel et les contrôles environnementaux. Des avancées récentes dans les techniques de modulation employées pour 802.15.4 ont également augmenté les débits de données potentiels de 20/40kb/s à 100 kb/s/250kb/s.

Les nouveaux émetteurs-récepteurs à circuits intégrés comme l'AT86RF212B d'Amtel sont les leaders du développement d'applications inférieures à 1 GHz. Cet émetteur-récepteur basse puissance et basse tension 769 - 935 MHz est spécialement conçu pour les applications ISM haute vitesse, ZigBee / 82.15.4 et 6LoWPAN. Fournissant une solution SPI à antenne (inspection dynamique de paquets), les seuls composants externes nécessaires sont des condensateurs de découplage, cristal et une antenne. Une radio analogique, une démodulation/modulation numérique et l'amortissement de données ont lieu sur la puce. L'émetteur-récepteur intègre également un moteur de chiffrement AES 128 bits qui procure un chiffrement 16 octets au sein de 24 US.

 

 

TX Power	Puissance TX
Voltage Regulator	Régulateur de tension
Configuration Registers	Registres de configuration
Mixer	Mélangeur
SPI (slave)	SPI (esclave)
Frequency synthesis	Synthèse de fréquence
TRX Buffer	Tampon TRX
Control Logic	Logique de commande
Analog domain Digital domain	Domaine analogique Domaine numérique

 

Figure 1 - Schéma de principe de l'émetteur-récepteur radio monopuce Atmel AT86RF212B

En plus de prendre en charge les programmes de modulation actuels IEEE 802.15.4, l'AT86RF212B prend aussi en charge les débits de données propriétaires jusqu'à 1 000 kb/s autorisant des applications ISM haute vitesse.

Tout comme n'importe quelle conception sans fil, la performance RF est critique aussi bien en termes de sensibilité du récepteur qu'en termes de puissance de l'émetteur. Prenant en compte les deux paramètres, le « Bilan de liaison » définit la distance et la solidité d'un système sans fil. Plus le bilan de liaison est élevé, meilleure est la distance et les marges supplémentaires aident à produire une approche plus robuste. Le bilan de liaison est la zone dynamique entre la sensibilité du récepteur et la puissance émise de l'émetteur. Par exemple, l'émetteur-récepteur Atmel AT86RF212B a une sensibilité de récepteur de -100 dBm et une puissance émise de l'émetteur de +10 dBm donc son bilan de liaison est 120 dB. Un autre aspect de la mesure du bilan de liaison est le fait que la sensibilité du récepteur sera influencée par le débit de données et la fréquence d'exploitation. Tandis que cela ne soit pas nécessairement important dans le cas d'une utilisation sur courte distance, cela peut avoir néanmoins un impact sur les conceptions prévues pour répondre aux exigences strictes de systèmes dans des environnements difficiles demandant plusieurs années d'opération sans entretien à partir d'une seule pile. Les exemples incluent les compteurs d'eau et de gaz, les commandes d'éclairage industriel, la surveillance environnementale et autres systèmes propriétaires jusqu'à 1 000 kb/s. Le fait de sélectionner le bon débit de données pour la conception touche également la distance et la consommation d'énergie. Par exemple, le fait de réduire un débit de 1000 kb/s à 20 kb/s peut accroître la distance d'un facteur de 6. Toutefois, l'élément clé de cet article est le fait qu'en réduisant la fréquence de 2 4000 MHz à 915 MHz la distance sera augmentée de 2,6x.

Frequency band	Bande de fréquences
TX Power	Puissance TX
Modulation	Modulation
Data Rate	Débit
Sensitivity	Sensibilité
Link budget	Bilan de liaison
Free space range	Distance d’espace libre
Unit

 

Figure 2 – Distance d'espace libre par rapport à la fréquence

Alors que l'ajout d'une étape frontale externe augmentera la distance et la solidité du lien, il augmentera également la consommation d'énergie. Il sera nécessaire de prendre en considération cet aspect et de penser aux nombreuses applications potentielles et d'utiliser les cas susceptibles de survenir en réalité. Il pourra également exister des composants de commande supplémentaires pour intégrer la commande avec votre émetteur-récepteur choisi. L'Atmel AT86RF212, par exemple, fournit les signaux logiques nécessaires pour faciliter la commande automatique d'une RF externe frontale sans recours à une interaction micrologicielle.

L'introduction de compteurs intelligents pouvant être installés n'importe où dans la maison nécessite de prendre en compte la position de l'antenne du système. Les signaux sans fil adopteront plusieurs voies et comme nous l'avons appris par l'utilisation du Wi-Fi, l'intérieur engendre plusieurs défis. Le signal peut se déplacer le long de plusieurs voies avant d'être finalement reçu. Chacun de ces rebonds peut introduire des déplacements de phase, des circuits temporisés, des atténuations et même des distorsions susceptibles d'interférer de manière destructive entre eux à l'ouverture de l'antenne réceptrice. Une diversité d'antenne, où plus d'une antenne sert à recevoir les signaux, est particulièrement efficace lorsqu'il s'agit d'atténuer ces situations à plusieurs voies. Cela parce que plusieurs antennes offrent au récepteur plusieurs observations du même signal. Chaque antenne subira un environnement d'interférence différent. Ainsi, si une antenne subit un évanouissement profond, il est possible qu'une autre ait un signal suffisant. Ensemble, un tel système peut fournir une solide liaison. L'AT86RF212B, par exemple, utilise deux antennes pour sélectionner le chemin du signal RF le plus fiable. Cela est effectué par l'émetteur-récepteur radio pendant la recherche de champ initial sans aucune interaction du logiciel d'application.

Receive signal strength	Intensité du signal reçu
position	Position

Figure 3 – La diversité d'antenne améliore la fiabilité

 

Plusieurs conceptions de l'Internet des objets envisagées seront alimentées par batterie et dans la plupart des cas à partir d'une seule pile. Les contrôles de bâtiment et d'énergie intelligents reposeront sur des capteurs muraux, ainsi avoir un profil de consommation ultra faible puissance sera essentiel si le produit doit être largement accepté par l'industrie et les consommateurs. Les développeurs devront soigneusement établir le profil du bilan d'énergie global et tirer pleinement profit des modes de veille du microcontrôleur hôte et de l'émetteur-récepteur sans fil. L'AT86F212B a généralement une consommation de veille de 0,2 uA, le récepteur activé, de 9,2 mA et lors d'une transmission à 5 dBm, une consommation de 18 mA.

Avant d'entamer une nouvelle conception d'Internet des objets, les ingénieurs doivent attentivement passer en revue l'utilisation anticipée et sélectionner un émetteur-récepteur sans fil approprié. Alors que les développeurs doivent prendre en compte de nombreuses considérations techniques, ils doivent également être conscients des outils susceptibles d'être à disposition en vue d'aider un cycle de développement plus rapide.

Plus précisément, en ce qui concerne le sans fil, n'importe quel outil qui peut analyser la consommation d'énergie et tester les erreurs avec le code de bibliothèque pour le microcontrôleur hôte assistera grandement cet aspect de la conception. La disponibilité de pilotes MAC IEEE802.15.4 bas niveau et dans le cas de compteurs intelligents et autres applications basées sur maillage, un empilage réseau maillé est essentiel. Un émetteur-récepteur sans fil bien pris en charge aura un développement facilement disponible ou bien un panneau d'évaluation sur lequel les conceptions prototypes peuvent être rapidement testées et déverminées avant de terminer la conception.