Mise en réseau économique de capteurs pour les systèmes de gestion d'immeubles

L'immotique réduit les coûts d'exploitation et de maintenance d'un immeuble, tout en offrant un environnement plus sûr et plus confortable à ses occupants. L'amélioration des performances d'un système immotique (BAS) repose sur l'augmentation des données provenant d'un nombre croissant de capteurs — et d'un nombre également croissant de contrôles/actionneurs — déployés dans un bâtiment. Ce déploiement requiert un moyen rentable et efficace de transporter les données capturées depuis le nœud de détection jusqu'à un concentrateur central ou un cloud, où elles peuvent être analysées et traitées, et où les signaux de contrôle requis sont délivrés.

Le déploiement de capteurs et d'actionneurs à grande échelle, en particulier pour les bâtiments anciens — et là où l'alimentation électrique n'est pas facilement disponible — peut nécessiter des travaux de rénovation importants et coûteux pour assurer la couverture complète du bâtiment. Jusqu'à présent, les réseaux RS-485 constituaient une solution de modernisation rentable, mais des ensembles de données plus riches et des débits de données plus élevés nécessitent une alternative à plus haut débit.

Pour minimiser les coûts tout en augmentant le débit, les concepteurs peuvent tirer parti du câblage RS-485 ou Ethernet à paire torsadée simple actuellement installé en utilisant 10BASE-T1L. Basé sur l'interface de communication de données par paquets IEEE 802.3cg-2019, 10BASE-T1L a un débit de 10 mégabits par seconde (Mb/s) sur des distances jusqu'à 1000 mètres (m). L'interface à deux fils peut également fournir une alimentation via le câble de données, éliminant le besoin de sources d'énergie locales ou la nécessité de router des câbles d'alimentation. Cela élimine également le recours à des passerelles énergivores en permettant la connexion à un nombre illimité de dispositifs.

Cet article se penche sur les exigences de contrôle des bâtiments et sur la manière dont elles ont été prises en compte jusqu'à présent. Il présente ensuite Ethernet 10BASE-T1L et des exemples de solutions d'Analog Devices pour démontrer sa facilité de mise en œuvre. Il montre également comment utiliser la technologie SWIO (E/S logicielle) pour simplifier l'interfaçage des capteurs pour les contrôleurs de bâtiments en réseau Ethernet, tout en maintenant la compatibilité en amont et en aval des systèmes de gestion d'immeubles (BMS). Une carte d'évaluation pour aider les concepteurs à démarrer avec SWIO est également présentée.

Le rôle d'un système BAS, ou BMS

Les systèmes immotiques, ou BMS, font référence à l'automatisation et à la gestion des différents systèmes d'un immeuble. Les objectifs BMS s'étendent du confort de l'occupant à la sécurité et aux coûts d'exploitation, de maintenance et de rendement du système de l'immeuble. Les quatre couches d'un système BMS sont les couches supervision, serveur/application, contrôleur de terrain et entrée/sortie.

La couche supervision est physiquement la couche de transmission à deux fils où se trouvent les dispositifs de supervision. Les dispositifs de supervision consolident tout le trafic des contrôleurs de terrain. La couche serveur/application reçoit des données de différents dispositifs de supervision. Cette couche prend en charge les protocoles Ethernet standard, tels que Modbus, KNX, BACnet et LON, fréquemment utilisés dans les systèmes de gestion d'immeubles. Cette couche fournit les données consolidées au client ou à l'utilisateur final par le biais de l'interface utilisateur. La couche contrôleur de terrain examine les données d'entrée provenant des commutateurs et des capteurs de température, et contrôle les sorties du système, telles que les actionneurs et les relais.

La dernière pièce du puzzle BMS est la couche entrée/sortie. C'est dans cette couche que se trouvent les capteurs et les dispositifs de contrôle. Certains capteurs et actionneurs prennent en charge le protocole TCP/IP, ce qui élimine le recours à un contrôleur.

RS-485 : une solution de connectivité BMS classique

À ce jour, l'interface TIA/EIA-485, communément appelée RS-485, est très largement utilisée par les concepteurs d'applications BMS car il s'agit d'un réseau local peu coûteux avec des liaisons de communications multipoints. La norme RS-485 est une norme exclusivement électrique qui définit les caractéristiques électriques des récepteurs et des circuits d'attaque lors de l'implémentation d'une ligne de transmission multipoint équilibrée. Elle prend en charge l'échange de données bidirectionnel semi-duplex sur une paire torsadée et permet des connexions multipoints (connexion de plusieurs émetteurs-récepteurs sur la même ligne), ce qui est idéal pour les systèmes BMS.

La norme RS-485 prend également en charge des débits de données raisonnablement élevés : 35 Mb/s sur des distances jusqu'à 10 m et 100 kilobits (kb/s) sur 1200 m. La règle générale RS-485 est que la vitesse en bits/s multipliée par la longueur du câble en mètres ne doit pas dépasser 10E8. Par conséquent, la vitesse la plus rapide d'un câble de 50 m est de 2 Mb/s. Cependant, il est rare d'utiliser un débit aussi élevé dans les applications de contrôle d'immeubles RS-485. La vitesse maximum pour BACnet MS/TP, un protocole immotique courant fonctionnant sur la couche physique (PHY) RS-485, est de 115 200 bits/s).

Par rapport aux autres liaisons de communication série, le principal avantage de la liaison de communication RS-485 est sa haute tolérance au bruit électrique dans les environnements industriels difficiles. Les grandes longueurs de câbles, la prise en charge de plusieurs émetteurs-récepteurs sur une seule ligne, la vitesse de transmission des données raisonnablement rapide et la caractéristique de réjection du bruit électrique de la norme RS-485 s'adaptent bien à l'environnement BMS.

Protocole Ethernet 10BASE-T1L

À mesure que les exigences BMS augmentent et que les ensembles de données s'enrichissent, le débit devient de plus en plus important. Le protocole 10BASE-T1L offre une alternative à plus haut débit pour les communications point-à-point sur un câblage à paire torsadée, puisqu'il supporte 10 Mb/s sur 1000 m. 10BASE-T1L relève également les défis sur le terrain, tels que l'alimentation, le câblage, la distance et les îlots de données, tout en éliminant le besoin de passerelles complexes.

Le « 10 » dans 10BASE-T1L fait référence à la vitesse de transmission de 10 Mb/s, « BASE » fait référence aux signaux en bande de base, « T » signifie « paire torsadée » et le chiffre « 1 » correspond à une portée de 1 kilomètre (km). Le dernier « L » signifie « longue portée », indiquant que la longueur des segments est de 1 km. Capable de délivrer 500 milliwatts (mW), 10BASE-T1L introduit Ethernet dans les applications de zones dangereuses ou de zone 0 à sécurité intrinsèque. Dans les applications sans sécurité intrinsèque, il peut fournir jusqu'à 60 watts (W).

La topologie d'un réseau Ethernet 10BASE-T1L peut être en chaîne, en ligne ou en anneau. Comme mentionné, il n'y a pas de passerelles : les paquets Ethernet passent de la périphérie vers le niveau de contrôle, puis vers le cloud, afin de mieux réaliser les objectifs de communications transparentes pour l'immotique.

Que le capteur se trouve dans une usine de fabrication ou sur un bureau, cette connectivité Ethernet-cloud simplifiée permet de configurer les capteurs avec un téléphone mobile ou un ordinateur portable.

Configurations matérielles 10BASE-T1L pour l'immotique

Pour développer un nœud de détection de connectivité Ethernet 10BASE-T1L, les concepteurs disposent de trois options d'Analog Devices prêtes à l'emploi. L'ADIN1100 est un émetteur-récepteur industriel 10BASE-T1L robuste, basse consommation, avec une couche physique (PHY) Ethernet. L'ADIN1110 offre à la fois un contrôle d'accès au support (MAC) et une interface PHY (Figure 1).

Figure 1 : L'ADIN1110 est un émetteur-récepteur 10BASE-T1L à un port basse consommation, avec PHY Ethernet et MAC intégrés. (Source de l'image : Analog Devices)

La troisième option est l'ADIN2111, un commutateur à deux ports, à faible complexité et basse consommation, avec deux couches PHY 10BASE-T1L intégrées et un port d'interface périphérique série (SPI) (Figure 2). L'utilisation de l'interface SPI réduit les exigences du processeur hôte, donnant à l'utilisateur plus de choix pour optimiser un dispositif en termes de puissance, de coût et de performances.

Figure 2 : L'ADIN2111 est un commutateur à deux ports à faible complexité et basse consommation avec couches PHY intégrées. (Source de l'image : Analog Devices)

Les dispositifs ADIN1100 et ADIN2111 10BASE-T1L peuvent être déployés dans une topologie de réseau en chaîne (Figure 3), en ligne ou en anneau. Par rapport à un réseau en étoile, ces topologies de réseau réduisent considérablement la quantité de câblage nécessaire.

Figure 3 : Topologie en chaîne pour un réseau 10BASE-T1L utilisant le contrôleur ADIN1100 et le commutateur à deux ports ADIN2111. Les topologies en ligne ou en anneau peuvent également être utilisées. (Source de l'image : Analog Devices)

Pour démarrer avec 10BASE-T1L, les concepteurs peuvent utiliser la carte d'évaluation EVAL-ADIN1100 pour l'ADIN1100. La carte permet d'accéder facilement à toutes les fonctionnalités de l'ADIN1100 et peut être configurée par le biais d'une interface utilisateur graphique (GUI) sur un PC ou par le biais d'une opération à configuration matérielle autonome. Elle inclut deux connecteurs à borne à vis plug-in pour le câble 10BASE-T1L et une alimentation externe, un câble Ethernet Cat 5e avec connecteur RJ45, et un câble USB-A vers micro-USB-B. Une petite zone de prototypage est également prévue.

Interfaces de capteurs flexibles prenant en charge 10BASE-T1L

À la périphérie du réseau BMS se trouve un mélange complexe de capteurs de température, de pression, de charge, d'humidité et à jauge de contrainte qui requièrent une variété de circuits analogiques pour capturer et actionner les événements BMS.

Pour s'adapter à cette variété d'interfaces, les concepteurs peuvent utiliser l'AD74412R d'Analog Devices, un circuit intégré d'interface SWIO à quatre canaux pour les applications BMS et de contrôle de processus. La capacité SWIO offre des niveaux de flexibilité uniques pour l'accès à n'importe quelle fonction E/S sur n'importe quelle broche, permettant aux concepteurs de configurer les canaux à tout moment. La programmation peut se faire à la volée via les canaux Ethernet à deux fils qui couvrent un immeuble entier. Il en résulte un besoin réduit en ressources de conception et des produits universels qui peuvent être déployés rapidement et à grande échelle dans un bâtiment automatisé.

L'AD74412R contient une entrée analogique, une sortie analogique, une entrée numérique, et la possibilité d'effectuer des mesures de capteurs de température à résistance (RTD) avec une interface SPI compatible. Il est illustré à la Figure 4 avec son convertisseur analogique-numérique (CAN) Σ-Δ 16 bits, un groupe de fonctions de diagnostic et ses quatre convertisseurs numérique-analogique (CNA) 13 bits configurables qui fournissent quatre canaux E/S configurables.

Figure 4 : Le circuit SWIO à quatre canaux AD74412R présente quatre CNA 13 bits configurables qui fournissent quatre canaux E/S configurables. Sont également inclus un CAN Σ-Δ 16 bits, et un groupe de fonctions de diagnostic. (Source de l'image : Analog Devices)

Les modes pour l'AD74412R sont la sortie de courant, la sortie de tension, l'entrée de tension, l'entrée de courant alimentée en externe, l'entrée de courant alimentée par la boucle, la mesure RTD externe, la logique d'entrée numérique et l'entrée numérique alimentée par la boucle. L'AD74412R contient également une référence interne haute précision de 2,5 volts (V) pour les CNA et le CAN.

Conception avec la carte d'évaluation AD7441R

Les applications analogiques pour le circuit SWIO AD74412R sont presque innombrables. Pour aider les concepteurs à démarrer, Analog Devices propose la carte d'évaluation EV-AD74412RSDZ (Figure 5). Cette carte d'évaluation permet l'exploration technique grâce aux options de reconfiguration embarquées et à la programmabilité basée sur PC.

Figure 5 : L'EV-AD74412RSDZ est une carte d'évaluation complète pour l'AD74412R. (Source de l'image : Analog Devices)

Le logiciel d'évaluation AD74412R communique avec l'EV-AD74412RSDZ via la plateforme de démonstration système (SDP) EVAL-SDP-CS1Z qui extrait les signaux d'entrée et de sortie de la carte. Avec son interface à menus déroulants, il simplifie la configuration de l'AD74412R et fournit des outils de diagnostic.

Conclusion

La norme 10BASE-T1L permet aux systèmes immotiques nouvelle génération de bénéficier d'un débit de 10 Mb/s à une distance pouvant atteindre 1000 m, tout en prenant en charge les anciennes installations à paire torsadée à deux fils. Comme illustré, en utilisant un émetteur-récepteur 10BASE-T1L ADIN1100, le commutateur Ethernet à deux ports ADIN2111 et une solution E/S programmable par logiciel (SWIO) à quatre canaux AD74412R pour les applications BMS et de contrôle de processus, les concepteurs peuvent rapidement implémenter un réseau de capteurs 10BASE-T1L compatible en amont et en aval.