Des protocoles de communication pour l'IoT

Les ingénieurs en électronique et les développeurs d'applications doivent peser les avantages et les inconvénients d'une gamme sans cesse croissante d'options de connectivité lorsqu'ils travaillent sur des produits et des systèmes pour l'Internet industriel des objets (IIoT).

Protocoles communication IOT

Les usines intelligentes n'ont rien de nouveau. Depuis que les automates ont remplacé les banques de relais câblés, les ingénieurs supervisent l'automatisation intelligente des processus industriels. Au fil du temps, une multitude de protocoles de mise en réseau câblés tels que Modbus, Profibus, EtherNET / IP, Interbus, ControlNet, et bien d'autres, ont été utilisés dans les environnements de fabrication comme moyen d'effectuer une communication industrielle standard, principalement pour le contrôle des machines et des processus.

Maintenant, cependant, l'émergence de l'Internet industriel des objets (IIoT) a ouvert d'innombrables perspectives nouvelles pour l'usine intelligente, avec la collecte et le transfert de données en croissance exponentielle. Pour accélérer le processus de déploiement et économiser des coûts d'installation considérables, de nombreuses applications utilisent désormais des méthodes de mise en réseau sans fil au lieu d'étendre la portée du réseau câblé. De l'usine et de l'équipement via le bord ou le cloud au niveau de l'entreprise, la gestion du flux de données nécessite un tout nouveau niveau de compréhension de la communication sans fil, jonglant avec un large éventail de compromis basés sur les applications qui doivent être prises en compte. Ceux-ci incluent la portée, la puissance, le débit de données, la latence, la résilience et les conditions de fonctionnement, pour n'en nommer que quelques-uns. Nous fournissons ici une liste des protocoles de communication IIoT les plus importants, qui pourraient vous aider à tirer pleinement parti de l'Industrie 4.0.

Protocoles IOT
Exemple de protocoles de communication IOT.

Réseau maillé Bluetooth

Réseau Bluetooth

Le Bluetooth est peut-être la technologie de communication à courte portée la plus connue, qui est devenue extrêmement populaire pour les applications grand public basées sur l'IoT telles que le transfert de fichiers de périphérique à périphérique et les haut-parleurs et casques sans fil. Cependant, Bluetooth, une norme IEEE 802.15, est également devenu un acteur important dans les environnements industriels intelligents, le rythme d'adoption augmentant rapidement depuis 2017 après le lancement de Bluetooth Mesh - une topologie de réseau disponible sur Bluetooth LE qui permet la création de communications entre plusieurs appareils à très large échelle. L'un des points positifs importants de la mise en réseau maillée est que tous les appareils d'un réseau peuvent communiquer entre eux, plutôt que par la restriction d'un concentrateur central, ce qui le rend particulièrement adapté au contrôle, à la surveillance et à l'automatisation de systèmes dans des environnements industriels où potentiellement des milliers d’appareils doivent communiquer entre eux en toute sécurité.

Avantages : La topologie Bluetooth Mesh signifie que la taille et la zone du réseau sont virtuellement illimitées, ce qui le rend idéal pour la connexion de réseaux de capteurs étendus. Lancée via Bluetooth SIG, l'interopérabilité est également un point fort, avec une compatibilité ascendante avec une large gamme d'appareils Bluetooth existants.

Inconvénients : La portée relativement courte et les faibles taux de transfert de données sont un obstacle dans certaines applications. Bluetooth Mesh est plus adapté aux réseaux locaux de proximité.

Technologie cellulaire

Technologie cellulaire

Toute application IIoT qui nécessite un fonctionnement sur de plus longues distances peut tirer parti des capacités de communication cellulaire GSM / 3G / 4G - un moyen éprouvé d'envoyer des quantités relativement élevées de données. Il peut également être idéal pour les projets de données à faible bande passante basés sur des capteurs qui enverront de très faibles quantités de données sur Internet. L'IoT à bande étroite (NBIoT), basé sur l'infrastructure cellulaire, est également un protocole cellulaire alternatif pour les faibles débits de données. Alors que l'attention de la dernière technologie mobile de cinquième génération (5G) s'est concentrée sur l'amélioration des services mobiles, les cas d'utilisation de l'IIoT apparaissent également au premier plan. Avec des capacités de transfert de données à ultra-haute vitesse, à faible latence et à grand volume, la 5G pourrait considérablement améliorer les environnements industriels, favorisant les avancées dans des domaines critiques tels que l'optimisation des processus et prenant en charge des niveaux d'automatisation accrus. Le protocole est particulièrement adapté à toute application IIoT qui nécessite des communications ultra-fiables et à faible latence, avec des vitesses de pointe théoriques de 20 Gbit / s prenant en charge des applications stratégiques telles que la robotique industrielle, le traitement d'image ou le positionnement intérieur précis. D'autres cas d'utilisation sont le déploiement de ce que l'on appelle l'internet des objets massifs (mIoT), où la 5G pourrait être déployée sur des réseaux de service comprenant des milliards d'appareils connectés à faible coût, à longue portée et ultra-économes en énergie, même sur les sites les plus éloignés avec une exigence de communications peu fréquentes.

Avantages : Capacités de données ultra-rapides, à faible latence et à volume élevé capables de prendre en charge tous les besoins de communication IIoT critiques.

Inconvénients : Les dépenses et la consommation d'énergie peuvent être trop élevées pour de nombreuses applications. L'établissement du ROI sur les usines intelligentes compatibles 5G prendra du temps.

Protocole d'application contrainte (COAP)

Protocole d'application contrainte

Le protocole d'application contrainte (CoAP) est un protocole de transfert Web spécialisé spécifiquement développé pour une utilisation avec des nœuds et des réseaux contraints dans des applications machine à machine. Sa principale force est de permettre à des appareils simples de se connecter à Internet, même lorsque la faible bande passante et la faible disponibilité sont des facteurs restrictifs. Développé par l'Internet Engineering Task Force, CoAP RFC-7252, a été conçu pour prendre en charge un nombre relativement élevé de nœuds peu coûteux ayant été conçu pour fonctionner sur des microcontrôleurs avec de faibles espaces de code compris entre 10 Ko et 100 Ko de RAM. Fondamentalement, l'architecture de CoAP est conçue pour réduire la surcharge de la bande passante du réseau, économiser l'énergie de la batterie et l'espace de stockage et réduire la quantité de données que le processeur exploite.

Avantages : Un protocole simple, similaire à HTTP, qui a de faibles frais généraux et de faibles besoins en bande passante dans des environnements contraints.

Inconvénients : Lancé en 2014, c'est encore une norme émergente. La non-fiabilité et la sécurité des messages ont été citées comme des inconvénients.

LoRaWAN

LoRaWAN

LoRaWAN est un protocole de réseau étendu à faible consommation qui prend en charge la communication bidirectionnelle sécurisée mobile à faible coût dans les réseaux IIoT. Fonctionnant dans le spectre sans fil industriel, scientifique et médical (ISM) sans licence de 850 à 950 MHz, son architecture de réseau est généralement déployée dans une topologie étoile par étoile, avec des passerelles envoyant des messages entre les terminaux et un serveur de réseau central. Les passerelles sont liées au serveur de réseau via des connexions IP standard, agissant comme un pont et convertissant les paquets RF en paquets IP et vice versa. Optimisée pour un fonctionnement fiable à longue portée, la communication sans fil permet une liaison à un seul saut entre le périphérique final et une ou plusieurs passerelles, avec tous les modes capables de communication bidirectionnelle. LoRaWAN peut prendre en charge de grands réseaux comprenant potentiellement des millions d'appareils, avec des débits de données allant de 0,3 kbps à 50 kbps. Sa gamme étendue signifie que LoRaWAN a trouvé une application croissante dans les environnements industriels difficiles, où le bruit peut avoir un impact négatif sur la communication. Les caractéristiques de faible puissance de LoRaWAN signifient qu'il s'est avéré être une solution de réseau populaire pour les appareils IIoT alimentés par batterie, car il est capable de soutenir la durée de vie de la batterie pendant des périodes allant jusqu'à dix ans.

Avantages : Solution évolutive qui offre une large plage de couverture à faible consommation, avec une architecture facile à déployer.

Inconvénients : Uniquement pour les applications avec de faibles débits de données. Ne convient pas aux applications en temps réel qui nécessitent peu de latence.

OpenThread

OpenThread

OpenThread, soutenu par Google, est une implémentation open source de Thread, un protocole de réseau basé sur IPv6 qui a été spécialement conçu pour les appareils à faible consommation d'énergie dans un réseau maillé sans fil personnel. Il est parfois appelé la version Google du Zigbee, car ils sont tous deux basés sur la norme IEEE 802.15.4-2006. Le lancement d'OpenThread met la technologie de mise en réseau utilisée dans les produits Google Nest à la disposition d'un éventail plus large de développeurs, principalement comme moyen d'élargir et de diversifier les types de produits pour la maison connectée et les bâtiments commerciaux. Cependant, le protocole pourrait également trouver une application dans des environnements industriels, en particulier comme moyen de relier des nœuds limités en ressources tels que des capteurs et des actionneurs intégrés sur plusieurs connexions sans fil.

Avantages : Installation simple et sécurisée, tandis que la mise en réseau auto-réparatrice signifie aucun point de défaillance unique. Très efficace, avec des appareils de faible puissance capables de dormir et de fonctionner sur batterie pendant de longues périodes.

Inconvénients : Protocole de mise en réseau relativement nouveau plus associé à l'environnement domotique, donc application plus limitée dans les environnements industriels.

Sigfox

Sigfox

Sigfox utilise des bandes ISM pour transmettre des données sur un spectre très étroit vers et depuis les objets connectés, prenant en charge les applications de machine à machine qui fonctionnent sur une petite batterie et ne nécessitant que de faibles niveaux de transfert de données. Le protocole utilise une technologie appelée Ultra Narrow Band, qui a été spécialement conçue pour gérer de faibles vitesses de transfert de données. Il consomme seulement 50 microwatts par rapport à 5000 microwatts pour la communication cellulaire ou peut fournir un temps de veille typique de 20 ans avec une batterie de 2,5 Ah alors qu'il n'est que de 0,2 an pour le cellulaire. La nature robuste, économe en énergie et évolutive des réseaux Sigfox l'a rendu approprié pour diverses applications exécutant des appareils alimentés par batterie sur de vastes zones. Bien qu'il ne cible pas d'industries spécifiques, les réseaux Sigfox peuvent virtuellement être utilisés dans tous les contextes où une solution de connectivité à faible débit est nécessaire. La définition de faible débit se caractérise par jusqu'à 140 messages par objet et par jour, avec une taille de charge utile pour chaque message de 12 octets et un débit sans fil pouvant atteindre 100 bits par seconde. Les applications IIoT typiques incluent le suivi des actifs basé sur le cloud dans la fabrication et la gestion des ressources dans le secteur des services publics.

Avantages : Connectivité à faible coût, avec une faible consommation d'énergie. Facile à intégrer et à déployer, sans avoir besoin d'une infrastructure complexe.

Inconvénients : Ne convient pas aux communications à haut débit.

Zigbee

Zigbee

Zigbee est un protocole de réseau local, basé sur la norme IEEE 802.15.4, qui sous-tend une large base de fonctionnement installée en milieu industriel. Fonctionnant à 2,4 GHz, c'est un protocole particulièrement adapté aux applications qui nécessitent des échanges de données relativement peu fréquents à de faibles débits sur une zone restreinte et dans une plage de 100 m. Basé sur une topologie maillée, Zigbee peut prendre en charge des milliers de nœuds dans un réseau, encourageant un transfert de données efficace entre les capteurs et les appareils qui peuvent tous communiquer ensemble. La nature évolutive de Zigbee le rend hautement optimisé pour les applications IIoT dans les environnements d'usine.

Avantages : Offre des avantages significatifs dans les systèmes industriels complexes offrant un fonctionnement à faible puissance, une sécurité élevée, une robustesse et une évolutivité élevées avec un nombre de nœuds élevé.

Inconvénients : La portée minimale et les faibles débits de données limitent Zigbee aux réseaux locaux. Débit de données maximal de 250 kbps, ce qui le rend moins favorable que d'autres protocoles tels que le WiFi.

Conclusion - choisir le bon protocole

Il est donc clair que les ingénieurs de conception et les développeurs d'applications disposent d'une multitude d'options pour sélectionner les protocoles de communication pour IIoT. Et il existe de nombreuses autres options disponibles telles que Z-Wave, 6LoWPAN, WiFi et Neul, pour n'en nommer que quelques-unes. Dans chaque cas, des facteurs tels que la portée, le budget de puissance et le débit de données requis, ainsi que la latence et la robustesse des liaisons, seront des facteurs déterminants dans le processus de sélection. En outre, il convient de rappeler que les protocoles sont souvent utilisés à des fins différentes - les ingénieurs peuvent vouloir utiliser un maillage Bluetooth pour relier des centaines de capteurs à un agrégateur de données / passerelle, qui utilise ensuite le WiFi pour communiquer avec un point d'accès au site et au-delà. vers le cloud. Il s'agit de tirer le meilleur parti de la large gamme de technologies disponibles, souvent en combinaison transparente, pour obtenir les meilleurs résultats pour la tâche à accomplir.