Utiliser des systèmes sur puce sans fil multiprotocoles et multibandes pour simplifier le déploiement des réseaux IIoT

L'innovation continue entraîne l'incompatibilité de nombreuses options sans fil avec les applications Internet des objets (IoT). Même si la multiplicité des choix est préférable, cela complique également le déploiement des réseaux sans fil, surtout dans le cas des installations Internet industriel des objets (IIoT) héritées, où de nombreux réseaux sans fil sont peut-être déjà déployés et où des centaines voire des milliers de capteurs doivent désormais être ajoutés sur plusieurs sites.

Pour résoudre ce problème, les fabricants d'émetteurs-récepteurs IoT ont développé des solutions de systèmes sur puce (SoC) basse consommation économiques qui prennent en charge plusieurs protocoles sur plusieurs bandes RF, et ce, dans un dispositif unique.

Cet article examine brièvement les défis de conception qu'implique l'utilisation courante de plusieurs normes et spécifications de communications sans fil à courte portée. Il présente ensuite des systèmes sur puce de NXP, Texas Instruments, Silicon Labs et Analog Devices qui fournissent aux concepteurs la possibilité d'utiliser plusieurs interfaces RF et d'exploiter leurs capacités ainsi que les protocoles sans fil pris en charge.

Défi lié aux options sans fil

Il y a seulement quelques années, très peu de SoC de microcontrôleurs ou d'émetteurs-récepteurs IoT pouvaient prendre en charge plusieurs protocoles sans fil, et les fabricants de périphériques devaient alors en choisir un et l'utiliser dans toutes leurs lignes de produits. Par exemple, dans la domotique, première application IoT concrète, un fabricant de produits d'éclairage intelligent utilisait peut-être Zigbee, un autre Z-Wave et un autre encore Wi-Fi, renforçant la confusion du grand public face à cette nouvelle technologie déjà complexe.

Le marché de l'IIoT connaît désormais les mêmes défis, mais à une échelle encore plus grande. Contrairement au cas des maisons situées dans des zones géographiques bien définies, les grands fabricants possèdent des sites à l'échelle mondiale devant prendre en charge une large gamme d'équipements et d'exigences réglementaires. L'émergence des SoC de microcontrôleurs et d'émetteurs-récepteurs multiprotocoles et multibandes simplifie la situation pour les ingénieurs déployant ces dispositifs, ainsi que pour les architectes systèmes et réseaux. Comme ces systèmes sur puce sont de plus en plus employés dans les périphériques, il est désormais possible de configurer un réseau à l'aide de plusieurs protocoles sans fil à la périphérie via des systèmes sur puce d'un seul fournisseur.

Fonctionnalités des SoC IoT typiques

Un système sur puce typique pour l'IoT inclut une bande de base et une section RF reposant sur l'interface sans fil à couche physique (PHY) IEEE 802.15.4 pour les réseaux personnels sans fil à bas débit (LR-WPAN) ; un processeur hôte Arm et un coprocesseur ; un certain niveau de cryptage, comme AES-128 et un générateur de nombres véritablement aléatoires (TRNG). Des circuits de gestion d'alimentation et de capteurs, plusieurs horloges et temporisateurs ainsi que de multiples options E/S sont également inclus (Figure 1). Zigbee étant devenu un protocole très populaire pour les applications industrielles, il est pris en charge dans la quasi-totalité de ces applications, il en est de même pour les protocoles identiques à faible débit de données comme Thread.

Figure 1 : La série CC26xx de SoC SimpleLink de Texas Instruments illustrée dans ce schéma fonctionnel est un exemple de systèmes sur puce IoT sans fil. Le processeur hôte est un Arm Cortex-M3 pris en charge par un coprocesseur Arm Cortex-M0. (Source de l'image : Texas Instruments)

La technologie Bluetooth Low Energy (version 4) est également incluse dans cette instance, avec une prise en charge accrue de Bluetooth 5 (version 5). La version 5.1 adopte une mise en réseau maillée, ce qui fait de Bluetooth une solution concurrente dans l'IoT à grande échelle. Cependant, tous les systèmes sur puce ne prennent pas en charge cette version. Il est ainsi important de déterminer si le dispositif IoT candidat prend en charge la version 5.1.

Certains dispositifs prennent également en charge IPv6 dans les réseaux personnels sans fil basse puissance (6LoWPAN), une norme ouverte définie par l'IETF (Internet Engineering Task Force), basée sur la couche PHY 802.15.4. 6LoWPAN inclut la compression d'en-têtes IP (IPHC) requise pour l'implémentation IPv6, un protocole TCP/UDP standard sur une couche PHY 802.15.4 et des couches MAC, et fonctionne à des fréquences de 900 MHz (ou inférieures), ainsi qu'à 2,45 GHz.

La liaison montante vers Internet est gérée via un routeur de périphérie IPv6, auquel sont également connectés plusieurs PC et serveurs (Figure 2). Le réseau 6LoWPAN proprement dit est connecté au routeur réseau IPv6 via son propre routeur de périphérie.

Figure 2 : Un réseau IPv6 avec un réseau maillé 6LoWPAN. La liaison montante vers Internet est gérée par un point d'accès agissant en tant que routeur IPv6, connecté à un routeur de périphérie IPv6, auquel plusieurs PC et serveurs peuvent également être connectés. Le réseau 6LoWPAN est connecté au réseau IPv6 via un routeur de périphérie. (Source de l'image : Texas Instruments)

L'une des caractéristiques distinctives de 6LoWPAN est sa capacité à effectuer une distribution de paquets de bout en bout n'importe où à l'aide de protocoles Internet standard, ce qui permet aux concepteurs d'utiliser des protocoles de messagerie de haut niveau comme MQTT, CoAP et HTTP dans toutes les applications.

À l'instar des autres protocoles cités dans cet article, il peut également fonctionner sur des radios « sub-1 GHz » en plus de 2,4 GHz, et il affiche donc d'excellentes caractéristiques de propagation. Par exemple, des démonstrations 6LoWPAN ont atteint une portée de 6,4 km à 900 MHz en utilisant un émetteur-récepteur avec une puissance de sortie RF de +12 dBm. Les basses fréquences sont particulièrement utiles en intérieur puisqu'elles peuvent mieux traverser les murs. Avec une bonne configuration et un pont adapté, 6LoWPAN est interopérable avec tout autre réseau IP comme Ethernet, Wi-Fi ou même des réseaux de données cellulaires.

Protocoles essentiels

Pour le moment, aucun système sur puce ne prend en charge tous les protocoles sans fil utilisés dans l'IoT. Cela n'affecte pas particulièrement les concepteurs de réseaux IIoT, parce que certains protocoles comme Thread et Z-Wave sont en majorité adoptés sur le marché grand public. Cela réduit les concurrents de Zigbee, de loin le protocole le plus populaire pour l'IIoT, outre 6LoWPAN et Bluetooth. Cela étant dit, un système sur puce prenant en charge la norme 802.15.4 peut fonctionner avec Zigbee, LPWAN, Thread et éventuellement avec des solutions propriétaires si elles peuvent fonctionner dans les mêmes bandes.

Le Wi-Fi n'est généralement pas inclus dans les systèmes sur puce multiprotocoles dédiés aux applications de périphériques basse consommation alimentées par une batterie miniature, en raison de sa consommation énergétique relativement élevée. Son usage principal dans l'IoT est dédié à l'accès passerelle-Internet et backhaul, où la consommation énergétique ne constitue pas une mesure critique. Cependant, le Wi-Fi est essentiel dans la mise à niveau des systèmes d'éclairage, de surveillance et d'autres infrastructures des villes en raison de son haut débit de données et de sa quasi-omniprésence.

Pour ces applications, les systèmes sur puce à Wi-Fi intégré sont disponibles depuis plusieurs années et connaissent une utilisation croissante, car la technologie constitue un élément essentiel de nombreuses applications IoT exigeant de très hauts débits de données. Parmi ces systèmes sur puce à Wi-Fi uniquement figure le processeur réseau Wi-Fi CC3100R11MRGCR de Texas Instruments, qui inclut un processeur réseau et une radio Wi-Fi de 2,4 GHz avec un serveur Web et une pile TCP/IP embarqués. Combiné à un microcontrôleur de TI ou d'un autre fabricant, il constitue une solution Wi-Fi complète dans deux petits dispositifs.

Cela étant dit, plusieurs systèmes sur puce disponibles combinent Wi-Fi et Bluetooth, car ces deux protocoles sont très populaires et complémentaires. Par exemple, le WL1831MODGBMOCR de la gamme de modules combinés Wi-Fi/Bluetooth WiLink 8 de Texas Instruments prend en charge Bluetooth et Bluetooth Low Energy. Pour Wi-Fi, il inclut la norme IEEE 802.11b/g/n à un débit de données maximum de 100 Mbits/s ainsi que Wi-Fi Direct. Sa capacité 2 x 2 MIMO fournit une portée 1,4 fois supérieure à celle d'un dispositif utilisant une seule antenne et il consomme moins de 800 µA en mode Wi-Fi. Les fonctionnalités Bluetooth incluent une conformité à la norme de connexion sécurisée Bluetooth 4.2, une interface de contrôleur hôte pour Bluetooth sur UART et un processeur audio prenant en charge un codec sous-bande pour le profil A2DP (Advanced Audio Distribution Profile).

Le boîtier de 13,3 mm x 13,4 mm x 2 mm inclut des commutateurs et des amplificateurs de puissance RF, des filtres et d'autres composants passifs, ainsi qu'une fonction de gestion d'alimentation et d'autres ressources, comme une interface hôte SDIO 4 bits.

Le système sur puce multiprotocole Mighty Gecko EFR32MG13P733F512GM48-D de Silicon Labs adopte une approche intéressante en combinant un microcontrôleur à un émetteur-récepteur fonctionnant à des fréquences clés entre 169 MHz et 2,450 GHz. Il est ainsi compatible avec Bluetooth Low Energy et Bluetooth 5.1, Zigbee, Thread et même 802.15g, une variante de la norme conçue pour les applications des très grands fournisseurs d'énergie électrique dans les réseaux électriques intelligents dotés de millions de points d'extrémité fixes répartis sur une vaste surface.

Certains dispositifs de la gamme Mighty Gecko prennent en charge les réseaux fonctionnant en dessous de 1 GHz et permettent la personnalisation pour des applications spécifiques. Ils prennent ainsi en charge une variété de schémas de modulation, comme OOK, FSK, OQPSK et DSSS.

La plateforme SimpleLink de Texas Instruments inclut du matériel prenant en charge les solutions Bluetooth Low Energy et 5.1, Thread, Wi-Fi, Zigbee et sub-1 GHz comme 6LoWPAN, ainsi que les normes filaires y compris Ethernet, CAN et USB. Le dispositif peut prendre en charge deux ou trois protocoles sans fil selon le modèle. Chaque modèle de la gamme est pris en charge dans un environnement de développement logiciel unique.

Par exemple, le microcontrôleur sans fil multinorme SimpleLink CC2650F128RHBR inclut une prise en charge pour Bluetooth, Zigbee et 6LoWPAN, et pour les applications de commande à distance comme la radiofréquence pour l'électronique grand public (RF4CE) Zigbee. Ce dernier protocole constitue une amélioration de la norme IEEE 802.15.4 et inclut des couches de réseau et d'applications pour créer des solutions multifournisseurs interopérables. Le CC2650 utilise un processeur hôte Arm Cortex-M3 de 32 bits, associé à un contrôleur de capteur de puissance fonctionnant de manière autonome, même lorsque l'ensemble du système est en mode veille. Le contrôleur Bluetooth et MAC 802.15.4 utilisent un processeur Arm Cortex-M0 distinct, ce qui permet de libérer la mémoire pour le support applicatif.

Le système sur puce MKW40Z160VHT4 de NXP Semiconductors prend en charge Bluetooth Low Energy et 802.15.4 pour Zigbee et Thread, il fonctionne entre 2,36 GHz et 2,48 GHz, et il utilise un processeur Arm Cortex-M0+, du matériel de couche de liaison Bluetooth et un processeur de paquets 802.15.4. En plus de son utilisation primaire en tant que sous-système complet, il peut également servir de modem pour ajouter une connectivité Bluetooth ou 802.15.4 à un contrôleur embarqué existant, ou de capteur sans fil autonome avec une application embarquée lorsqu'aucun contrôleur hôte n'est requis.

Le système sur puce multiprotocole LTC5800IWR-IPMA#PBF d'Analog Devices prend en charge les protocoles basés 802.15.4 mentionnés précédemment, ainsi qu'un autre protocole appelé SmartMesh, dont l'histoire est intéressante. Il a été développé par Kris Pister, professeur de génie électrique et de sciences informatiques à l'Université de Berkeley, en Californie, à la fin des années 1990, grâce au financement du projet de poussière intelligente (smartdust) de la DARPA. L'objectif du programme était de créer une radio miniature haute fiabilité pouvant être alimentée par batterie ou par récupération d'énergie. Les principaux clients cibles étaient les services de pipelines dotés d'une large infrastructure fonctionnant souvent dans des conditions environnementales hostiles.

Pour commercialiser la technologie, Kris Pister a cofondé Dust Networks pour produire un réseau maillé de capteurs sans fil appelé SmartMesh. En 2011, la société a été rachetée par Linear Technology, acquise à son tour en 2017 par Analog Devices, où SmartMesh perdure et figure encore aujourd'hui dans l'IIoT.

SmartMesh consiste en un maillage de nœuds à sauts multiples autoformant (appelés « motes »), collectant et relayant des données, et en un gestionnaire de réseau qui coordonne les performances et la sécurité, et échange des données avec une application hôte (Figure 3). Comme la fiabilité était l'une des exigences de base du programme DARPA, SmartMesh a conservé cette capacité avec une disponibilité de 99 %, même dans des conditions environnementales difficiles. Son protocole de communication est une variante à spectre étalé appelée TSCH (Time Slotted Channel Hopping) qui synchronise tous les « motes » du réseau en quelques microsecondes.

Figure 3 : Dans un réseau SmartMesh, chaque nœud agit en tant que routeur, de sorte que de nouveaux nœuds peuvent être connectés à tout point. La technologie prend en charge jusqu'à 50 000 nœuds. (Source de l'image : Analog Devices)

Tous les « motes » du réseau sont synchronisés en moins de 1 ms et peuvent avoir une autonomie batterie de plus de 10 ans. Il suffit d'un découplage d'alimentation, de quartz et d'une antenne pour créer un nœud sans fil complet. Avec une antenne omnidirectionnelle à gain de 2 dBi, le LTC5800-IPM présente une portée typique de 300 m en extérieur et de 100 m en intérieur.

Conclusion

Face aux différents types de protocoles sans fil, il est difficile de sélectionner le protocole et l'interface sans fil appropriés à utiliser pour les déploiements IIoT, car il faut également tenir compte des systèmes existants devant être pris en charge. Comme illustré, les systèmes sur puce IoT prenant en charge plusieurs protocoles sans fil à courte portée sur plusieurs bandes RF peuvent considérablement simplifier le déploiement des réseaux IIoT en offrant une meilleure flexibilité aux concepteurs.