Accélérer le développement d'applications IIoT – 2e partie : déploiement rapide de capteurs IIoT

Note de l'éditeur : les projets de développement d'applications embarquées sont souvent retardés, car les développeurs attendent que les implémentations matérielles des nouveaux dispositifs soient disponibles. Le développement d'applications pour l'Internet industriel des objets (IIoT) est confronté au même problème : les développeurs doivent attendre les données de capteur requises pour les applications comme les systèmes industriels de maintenance préventive ou les systèmes d'automatisation d'installation basés sur des méthodes d'apprentissage automatique. Cette série en deux parties étudie les alternatives permettant de fournir les flux de données précoces requis pour accélérer le développement d'applications IIoT. La 1re partie a décrit l'utilisation de méthodes de simulation pour générer ces flux de données. Ici, la 2e partie aborde les options pour le prototypage rapide de systèmes de capteurs pour générer des données.

Les applications de l'Internet industriel des objets (IIoT) à grande échelle dépendent fondamentalement de l'analyse des flux de données et de la réponse à ces flux générés par des réseaux de capteurs déployés dans l'environnement cible. Sans disponibilité immédiate de ces flux de données au début du développement, les applications IIoT peuvent prendre du retard ou ne pas répondre aux attentes de l'entreprise.

Bien que les méthodes de simulation puissent répondre aux exigences liées aux données pour de nombreuses applications, certaines peuvent nécessiter des données qui correspondent précisément à l'environnement cible. Dans ce cas, le niveau d'effort requis pour fournir des résultats de simulation efficaces peut s'avérer impossible. L'utilisation d'unités de capteurs et de passerelles facilement disponibles offre alors une voie potentiellement plus simple vers la fourniture rapide de données. Spécialement conçues pour les environnements industriels, ces unités prennent en charge une grande variété de types de capteurs et d'options de connectivité, avec peu d'efforts requis de la part de l'utilisateur.

Deuxième article d'une série en deux parties sur l'accélération du développement d'applications IIoT, cet article décrit les différents types de capteurs et de passerelles IIoT pré-configurés disponibles pour générer les données requises afin d'accélérer le développement d'applications IIoT.

Les limites des simulations de données IIoT

Les données des capteurs sont au cœur des applications IIoT, mais le déploiement complet de ces applications dépend de la disponibilité immédiate des systèmes de capteurs destinés à fournir ces données ainsi que des systèmes logiciels nécessaires pour transformer ces données en informations utiles. Pour certaines applications IIoT, la simulation peut ne pas fournir de données suffisamment utiles. Si aucune attention minutieuse n'est prêtée aux paramètres de la simulation, les flux de données simulées peuvent présenter des propriétés qui biaisent l'application en faveur d'un fonctionnement en particulier.

Par exemple, une simulation de données configurée pour fournir une température aléatoire avec une distribution uniforme dans la plage de -40°C à +125°C peut biaiser l'application en faveur de températures extrêmes en dehors de la plage ambiante réelle de l'environnement cible. En outre, une simulation naïve de ce type peut également fournir facilement des données de température qui sautent des dizaines de degrés d'une mesure à l'autre. Dans une application IIoT typique, des changements de température aussi radicaux et irréalistes peuvent perturber les boucles de contrôle de processus et d'autres résultats d'application.

La qualité des données et leur représentation fidèle de conditions réalistes sont particulièrement importantes si l'application est censée embarquer des modèles d'inférence par apprentissage automatique. Les experts en science des données savent que les modèles d'inférence formés sur des données médiocres donnent des résultats tout aussi médiocres. Par conséquent, le niveau d'efforts requis pour créer des simulations de données efficaces nécessaires à ces modèles peut augmenter rapidement.

Pour la plupart des projets IIoT, le fait de retarder le développement de l'application jusqu'à ce que les systèmes de capteurs soient déployés n'est tout simplement pas une option. En fait, il peut même être impossible d'attendre le déploiement des capteurs lorsque l'exécution de l'application logicielle doit révéler des informations nécessaires ou même une justification du déploiement complet. Par exemple, les experts en science des données peuvent avoir besoin des résultats d'algorithmes complexes pour déterminer si des données de résolution supérieure, des taux de mise à jour plus élevés ou même différents types de données de capteurs sont nécessaires pour résoudre les ambiguïtés des résultats ou autrement optimiser l'application.

Pour toutes ces raisons, les organisations peuvent décider à contrecœur qu'il est préférable de retarder le développement d'une application IIoT plutôt que de développer une application avec des données simulées qui représentent mal le processus industriel et l'environnement cibles. Heureusement, la disponibilité croissante des systèmes de capteurs IIoT pré-construits et des dispositifs de passerelle associés permet aux organisations de déployer rapidement, au minimum, l'ensemble de capteurs le plus critique requis pour le développement d'applications.

Déploiement rapide du réseau de capteurs

Les capteurs IIoT combinent des capteurs, des processeurs et des interfaces de connectivité dans un boîtier conçu pour résister aux contraintes d'un environnement industriel typique. Outre les capteurs individuels de température, de vibration, de pression et d'humidité, les développeurs peuvent trouver des unités multicapteurs disponibles qui regroupent des combinaisons de capteurs nécessaires pour des capacités d'application spécifiques, comme la maintenance préventive.

Les méthodes de maintenance préventive surveillent les caractéristiques qui servent d'indicateurs de défauts potentiels dans les équipements. Dans les moteurs, par exemple, des changements spécifiques dans la fréquence de vibration et la température indiquent de manière fiable des types très spécifiques de défaillances. Conçus pour capturer ces données, les capteurs IIoT comme le capteur de maintenance préventive PR55-20A de National Control Devices (NCD) combinent les capteurs requis à un microcontrôleur basse consommation et une connectivité réseau maillée sans fil DigiMesh (Figure 1).

Figure 1 : Le capteur de maintenance préventive PR55-20A de NCD combine plusieurs capteurs à la connectivité réseau maillée requise pour fournir des données aux nœuds sans fil locaux. (Source de l'image : National Control Devices)

Pour accélérer le développement d'applications IIoT, les développeurs peuvent facilement combiner des capteurs spécialisés comme le capteur de maintenance préventive de NCD à d'autres capteurs comme le capteur environnemental sans fil PR49-24G de NCD, qui intègre des capteurs de température, d'humidité et de gaz dans un boîtier industriel alimenté par deux piles AA.

Outre une variété de types de capteurs spécifiques, les fabricants de capteurs IIoT proposent des unités de passerelle de communication pré-construites, conçues pour simplifier l'intégration des capteurs aux réseaux connectés localement. En fait, les développeurs peuvent trouver des unités de passerelle disponibles qui sont pré-configurées pour se connecter à des clouds commerciaux spécifiques ou pour prendre en charge les protocoles de communication fréquemment utilisés pour se connecter aux plateformes cloud IoT.

Pour ses capteurs sans fil DigiMesh, la série de passerelles PR55-21 de NCD utilise une connexion Wi-Fi pour se connecter à des services cloud spécifiques, notamment Azure IoT de Microsoft (PR55-21_AZURE), Amazon Web Services IoT (PR55-21_AWS) ou la plateforme IoT de Losant (PR55-21_LOSANT). De plus, sa passerelle PR55-21_MQTT prend en charge les communications avec n'importe quel hôte utilisant le protocole ISO standard MQ Telemetry Transport (MQTT). Comme pour les autres membres de la série PR55-21, la passerelle PR55-21_MQTT combine un microcontrôleur industriel basse consommation à des sous-systèmes pour la connectivité sans fil DigiMesh locale et pour une connexion de backhaul Wi-Fi cryptée à un serveur MQTT local ou distant (Figure 2).

Figure 2 : La passerelle PR55-21_MQTT de NCD combine la prise en charge sans fil d'un réseau maillé DigiMesh local et des échanges de messages MQTT avec un serveur via une connexion Wi-Fi. (Source de l'image : National Control Devices)

Les développeurs peuvent rapidement configurer le réseau local DigiMesh et la connexion Wi-Fi MQTT à l'aide d'un outil basé sur des menus, fourni via le serveur Web embarqué de la passerelle. Par exemple, un écran de dispositif affiche les dispositifs connectés DigiMesh ainsi que la force de leur signal et leur activité, et fournit un point central pour gérer leur configuration (Figure 3).

Figure 3 : Le serveur Web embarqué de la passerelle PR55-21_MQTT de NCD permet aux utilisateurs de modifier les paramètres et d'étudier l'activité des capteurs connectés au réseau local. (Source de l'image : National Control Devices)

La mise en réseau maillée DigiMesh offre une approche efficace pour étendre la portée efficace des émetteurs-récepteurs basse consommation requis dans les systèmes de capteurs alimentés par batterie. Il ne s'agit bien sûr que de l'une des nombreuses options de connectivité susceptibles d'être utilisées dans les environnements industriels, et les fabricants proposent des combinaisons similaires de capteurs et de passerelles. Par exemple, la série Sentrius RS1xx de Laird inclut des capteurs industriels conçus pour prendre en charge la connectivité Bluetooth et LoRaWAN. La série Sentrius RG1xx de la société inclut des passerelles complémentaires conçues pour prendre en charge les exigences de fréquences régionales pour le déploiement LoRaWAN. De plus, les passerelles prennent en charge la connectivité Bluetooth locale et la connectivité Internet backhaul Wi-Fi.

Dans certaines applications, de fortes sources d'interférences électromagnétiques (EMI) peuvent dégrader l'intégrité du signal dans les communications sans fil. Dans ces situations, la possibilité de séparer le capteur et la fonctionnalité de communication peut être un avantage important. Outre ses propres capteurs industriels sans fil, Banner Engineering propose des capteurs conçus pour se connecter via une interface série 1-wire ou RS-485 à un nœud sans fil distinct. Par conséquent, les opérateurs peuvent placer le nœud de communication sans fil à une certaine distance d'un capteur relié à une haute source EMI, comme un moteur haute vitesse (Figure 4).

Figure 4 : Pour les situations présentant de fortes interférences électromagnétiques, comme la mesure des vibrations d'un moteur, les développeurs peuvent connecter un capteur de vibrations de Banner Engineering monté sur le moteur à un nœud sans fil placé à une certaine distance de la source de bruit. (Source de l'image : Banner Engineering)

Prenant en charge ce type de configuration, le nœud sans fil DX80N9Q45VTP de Banner Engineering est conçu pour se connecter au capteur de température et de vibrations 1-wire QM30VT1 de l'entreprise, tandis que le nœud sans fil DX80N9Q45TH se connecte au capteur de température et d'humidité 1-wire M12FTH4Q. Pour les exigences d'interface de capteur plus vastes, le DX80N9Q45U de l'entreprise sert de nœud sans fil 1-wire universel, et la série de nœuds sans fil DX80G9M6S de l'entreprise prend en charge les connexions de capteur RS-485 aux réseaux multi-sauts.

Traitement local

Même avec un déploiement rapide des réseaux de capteurs IIoT, les développeurs peuvent avoir besoin d'anticiper un certain degré de traitement local pour réduire le volume de données ou alléger la charge de traitement qui pèse sur les ressources en aval. En fait, des capteurs industriels avancés comme le capteur de vibrations et de température QM30VT2 de Banner Engineering permettent aux utilisateurs de diviser la fréquence de vibration mesurée en 20 bandes de fréquences. Cette capacité est particulièrement importante dans les applications de maintenance préventive, où les changements dans les bandes de fréquences distinctes sont connus pour indiquer des types spécifiques de défaillances.

Outre le pré-traitement par les capteurs, il se peut que le déploiement précoce des réseaux de capteurs impose une série d'exigences pour le traitement local. Banner Engineering offre cette capacité avec son système de contrôleur et de passerelle DXM700. Mesurant seulement 70 mm x 86 mm x 55 mm, le DXM700 offre plusieurs options de connectivité locale sans fil et filaire, ainsi qu'une liaison de backhaul Ethernet vers des serveurs hôtes (Figure 5).

Figure 5 : Le système de contrôleur et de passerelle DXM700 de Banner Engineering offre plusieurs options de connectivité pour la connectivité locale et Internet, ainsi que la prise en charge du traitement ScriptBasic local. (Source de l'image : Banner Engineering)

Lorsqu'il reçoit des données provenant des réseaux de capteurs locaux, le contrôleur peut exécuter des programmes écrits en ScriptBasic pour examiner les données d'entrée, activer les sorties en fonction des données d'entrée ou effectuer des transformations simples des données. La documentation de Banner Engineering inclut des exemples ScriptBasic illustrant des actions typiques comme la réponse aux changements des données du capteur (Liste 1).

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'Function to read the T/H sensor FUNCTION GetTempHumidityData    LastValueTempC = TempC    LastValueHumidity = Humidity    Humidity =GETREG(SensorHumidity_reg, TH_SID, MBtype)    TempC = GETREG(SensorTempC_reg, TH_SID, MBtype)    IF Humidity > 65535 or TempC > 65535 THEN          PRINT "Read Error - humidity / temp reading...", Humidity,"  ",TempC,"\n\r"    END IF    WrErr = SETREG (Humidity_reg, Humidity, LocalRegSID, MBtype)    WrErr = SETREG (TempC_reg, TempC, LocalRegSID , MBtype)   FUNCTION StateMachine 'State machine definitions for the periodic reading of temp/humidity ' TH_State = 0  current state of the state machine ' TH_Idle= 0  initial state ' TH_Wait= 1  wait time between samples ' TH_Sample= 2  get samples from remote sensor ' TH_Error= 3 error state - unknown condition    LOCAL StartState    StartState = TH_State    WrErr = SETREG (SM_reg, TH_State, LocalRegSID, MBtype)       IF TH_State = TH_Idle THEN           StartTime = NOW           TH_State = TH_Wait    ELSEIF TH_State = TH_Wait THEN       IF NOW >= (StartTime + WaitTime) THEN          TH_State = TH_Sample       ELSE          TH_State = TH_Wait       END IF    ELSEIF TH_State = TH_Sample THEN       GetTempHumidityData       TH_State = TH_Idle    ELSE       TH_State = TH_Error    END IF    IF StartState <> TH_State THEN       PRINT "\r\n Time ",NOW,"  SM Started-> ",THState[StartState],"  End->",THState[TH_State]," \r\n"    END IF END FUNCTION FUNCTION LED_driver IF LastValueTempC < TempC THEN    WrErr = SETREG (TempGoingUp_LED2_reg,1,DisplaySID, MBtype)    ELSE       WrErr = SETREG (TempGoingUp_LED2_reg,0,DisplaySID, MBtype)    END IF       IF LastValueTempC > TempC THEN    WrErr = SETREG (TempGoingDown_LED3_reg,1,DisplaySID, MBtype)    ELSE       WrErr = SETREG (TempGoingDown_LED3_reg,0,DisplaySID, MBtype)    END IF       IF (Humidity > 65535 ) OR (TempC > 65535) THEN    WrErr = SETREG (CommsError_LED4_reg,1,DisplaySID, MBtype)    ELSE       WrErr = SETREG (CommsError_LED4_reg,0,DisplaySID, MBtype)    END IF        IF GETREG(ScriptRunnning_LED1_reg, DisplaySID, MBtype) THEN       WrErr = SETREG (ScriptRunnning_LED1_reg,0,DisplaySID, MBtype)    ELSE       WrErr = SETREG (ScriptRunnning_LED1_reg,1,DisplaySID, MBtype)    END IF    END FUNCTION ‘Main program loop BEGIN:    PRINT "Script Starting\r\n"    ITERATE:       'PRINT "\r\n Time = ",NOW," \r\n"       StateMachine       LED_driver       Sleep(1)    GOTO ITERATE END 

Liste 1 : Cet extrait ScriptBasic de Banner Engineering montre comment les développeurs peuvent programmer le DXM700 de Banner Engineering pour répondre localement aux données du capteur. Dans le cas présent, il s'agit d'allumer et d'éteindre des LED en réponse aux changements des données du capteur de température et d'humidité. (Source du code : Banner Engineering)

Les passerelles comme la série MTCAP-Lxxx de Multi-Tech Systems offrent encore plus de flexibilité pour le traitement local. Conçue pour répondre à diverses exigences de connectivité, cette série prend en charge la connectivité LoRaWAN locale côté capteur, ainsi que la connectivité Ethernet et LTE large bande en option pour les canaux de backhaul. Pour son environnement d'exploitation, cette série de passerelles est basée sur le système d'exploitation open-source Multi-Tech Linux (mLinux). Par conséquent, les développeurs peuvent créer des routines logicielles de traitement local à l'aide d'un environnement de développement familier. De plus, ces passerelles prennent en charge Node-RED, offrant une option de développement schématisé qui est utile pour les applications axées sur les événements, comme l'IIoT. Vous trouverez plus d'informations sur Node-RED plus en avant dans cet article.

Prototypage rapide schématisé

Le déploiement rapide de réseaux de capteurs physiques peut aider à accélérer le développement d'applications IIoT en fournissant une source précoce de données critiques bien avant la conception, le développement et la mise en service de réseaux de capteurs à grande échelle. Le déploiement peut ne pas être rapide s'il entraîne des exigences collatérales importantes pour le développement logiciel. Les unités de capteurs et les passerelles IIoT pré-configurées décrites précédemment permettent d'éviter dans de nombreux cas cette situation, mais certaines exigences de données uniques qui vont au-delà des capacités des capteurs et des passerelles peuvent donner lieu à des exigences logicielles connexes.

Pour répondre aux exigences de données uniques, les plateformes de prototypage rapide comme Arduino et Raspberry Pi offrent un vaste choix de capteurs et d'actionneurs spécialisés en tant que cartes d'extension. En mélangeant ces cartes d'extension, les développeurs peuvent rapidement créer un prototype pour répondre à pratiquement toutes les exigences en matière de données de capteurs.

Pour les applications IoT, les fabricants ont facilité le prototypage d'applications en proposant des cartes multicapteurs conçues avec une empreinte minimale et les capacités fonctionnelles généralement requises dans ces applications. Les cartes de développement comme le kit d'évaluation RSL10-SENSE-GEVK d'ON Semiconductor ou le kit de développement STEVAL-STLKT01V1 SensorTile de STMicroelectronics intègrent un processeur hautes performances avec un large éventail de capteurs généralement requis dans les dispositifs corporels et IoT. Par exemple, le kit SensorTile combine un processeur STM32L4 de STMicroelectronics à un émetteur-récepteur BLUENRG-MS de STMicroelectronics et un ensemble de capteurs qui inclut le capteur de pression MEMS LPS22HBTR de la société, l'unité de mesure inertielle MEMS LSM6DSMTR avec accéléromètre et gyroscope, et la boussole électronique MEMS LSM303AGRTR avec accélération linéaire et capteurs magnétiques (Figure 6).

Figure 6 : Basé sur un processeur STM32L4 de STMicroelectronics, le kit SensorTile de STMicroelectronics fournit une plateforme matérielle flexible pour la construction de systèmes de capteurs capables de répondre à des exigences uniques au-delà de celles prises en charge dans les systèmes de capteurs IIoT prêts à l'emploi. (Source de l'image : STMicroelectronics)

Un environnement de développement schématisé populaire, appelé Node-RED, permet aux développeurs de programmer ces cartes et d'autres systèmes matériels comme les périphériques de NCD et les passerelles de Multi-Tech en dessinant des graphiques (flux) qui connectent des éléments fonctionnels (nœuds). Ces flux correspondent aux interactions entre les nœuds correspondant à des capacités fonctionnelles spécifiques, notamment la lecture des données des capteurs, l'exécution d'opérations liées aux données, le transfert des données vers d'autres éléments fonctionnels comme les passerelles cloud, et l'affichage des données (Figure 7).

Figure 7 : L'environnement de développement Node-RED permet aux développeurs de créer des applications en connectant des nœuds issus d'un vaste référentiel open-source. (Source de l'image : National Control Devices)

Avec plus de 225 000 modules disponibles dans le référentiel de flux Node-RED open-source, cet environnement offre un écosystème riche pour développer des applications axées sur les événements, comme l'acquisition de données de capteurs et leur transfert vers le cloud. Bien que Node-RED fournisse des méthodes pour intégrer les flux qui en résultent dans des applications de production, sa dépendance à Node.js peut ne pas convenir à certaines applications ou à certains environnements de production.

DK IoT Studio de Digi-Key offre un autre environnement de développement schématisé qui supprime en grande partie le besoin de développement logiciel manuel tout en continuant à fournir le code source en langage C. Grâce à DK IoT Studio, les développeurs créent les capacités fonctionnelles requises en faisant glisser les composants associés à chaque fonctionnalité du kit SensorTile sur la toile de DK IoT Studio (Figure 8).

Figure 8 : DK IoT Studio de Digi-Key génère automatiquement du code (à gauche) à partir des applications créées en connectant des composants fonctionnels placés sous forme d'icônes sur la toile (au milieu) et en modifiant les caractéristiques associées (à droite) selon les besoins. (Source de l'image : Digi-Key/STMicroelectronics)

Outre la prise en charge de composants matériels spécifiques, cet environnement fournit des composants fonctionnels similaires qu'il est possible de faire glisser et qui représentent le transfert de données vers le cloud ou le fonctionnement de ressources cloud. Après avoir dessiné le graphique décrivant le flux de données et les opérations, les développeurs peuvent télécharger le code généré pour le charger dans le kit SensorTile. Lors de la construction de prototypes typiques, ce processus nécessite peu de développement de code supplémentaire, voire pas du tout. Pour en savoir plus sur ce flux de développement de prototypage rapide, consultez l'article « Déployer rapidement un dispositif IoT multicapteur certifié Bluetooth 5 et alimenté par batterie ».

Conclusion

Le développement d'applications IIoT à grande échelle dépend essentiellement de la disponibilité de données qui représentent fidèlement l'environnement cible. Comme indiqué dans la 1re partie de cette série en deux parties, les méthodes de simulation peuvent répondre aux exigences liées aux données pour de nombreuses applications, tandis que d'autres applications peuvent exiger des données qui correspondent précisément à l'environnement cible. Dans ce cas, le niveau d'effort requis pour fournir des résultats de simulation efficaces peut s'avérer impossible. Les unités de capteurs et de passerelles facilement disponibles offrent alors une solution encore plus simple pour fournir rapidement des données.

Comme illustré dans cette 2e partie, ces unités prennent en charge une grande variété de types de capteurs et d'options de connectivité avec peu d'efforts requis de la part de l'utilisateur. Grâce à ces produits, les développeurs peuvent déployer rapidement des réseaux de capteurs capables de fournir les données requises pour accélérer le développement d'applications IIoT.