Vous êtes actuellement sur le site Europe (version française)

EHS – Protocoles | Fréquences | Distance | Débit de données

Accueil Actualités EHS – Protocoles | Fréquences | Distance | Débit de données
ZF présente ses solutions sans fil Energy Harvesting

EHS – Protocoles | Fréquences | Distance | Débit de données

Compte tenu de la connectivité grandissante des appareils mobiles et des applications pour l’industrie, la domotique ou les véhicules connectés, la technologie sans fil ne cesse de prendre de l’ampleur en matière d’échange de données. En 2018, la technologie sans fil a connu une croissance de 32 % par rapport à l’année précédente, et représente 6 % de l’ensemble du secteur des réseaux industriels.

Ce moyen de communication permet aussi bien la transmission de données sans fil sur des longues distances (via la technologie LTE habituelle et la future 5G) que sur des distances plus courtes via les réseaux maillés. La quasi-totalité des applications connectées innovantes bénéficient de l’amélioration constante et des optimisations de la technologie sans fil. Certaines entreprises en profitent pour développer des capteurs intelligents et des actionneurs à faible consommation énergétique. C’est le cas pour l’EHS (Energy Harvesting Switch), l’interrupteur à récupération d’énergie de ZF. Celui-ci intègre des composants électroniques et mécaniques mais aussi du logiciel mettant en œuvre différents protocoles radio pour échanger des données entre les appareils. Suivant le type d’application, plusieurs protocoles radio ont été des précurseurs sur le marché, chacun ayant ses propriétés avec leurs avantages et inconvénients respectifs. Dans cet article, nous allons présenter les paramètres de conception les plus importants ainsi que leurs corrélations, en prenant pour exemple l’interrupteur sans fil autonome en énergie de ZF.

Comparaison : fréquences radio à courte et longue portée

La transmission de données sur des longues distances utilise la norme LTE et bientôt la technologie 5G. La technologie sans fil convient à un large éventail d’applications grâce à sa longue portée (1 à 10 kilomètres) et son débit de données élevé (de 100 000 kbit/s en LTE à 2 000 000 kbit/s en 5G). Elle concerne la communication entre véhicules, les systèmes de transport sans chauffeur, l’utilisation des drones en contexte professionnel, la conduite autonome et la réalité virtuelle ou augmentée. L’avantage de cette technologie sans fil, c’est qu’elle permet de transmettre des volumes de données importants sur de longues distances.

Les réseaux maillés ont une portée plus courte que la 5G : environ 10 mètres en intérieur et jusqu’à 500 mètres en extérieur. Leur débit de données est aussi nettement plus faible : entre 0,5 et 100 kbit/s. Contrairement au LTE ou à la 5G, ils n’induisent pas de frais de transfert et bénéficient d’une consommation énergétique nettement plus faible. Les réseaux maillés sont donc principalement utilisés dans le secteur du bâtiment pour la domotique, la commande d’éclairage et la surveillance. Une des caractéristiques fondamentales des réseaux maillés est leur architecture décentralisée. Grâce au maillage des capteurs et des actionneurs, de multiples circuits de communication permettent de transmettre des informations d’une source à un équipement d’extrémité couplé. Cette technologie améliore non seulement la portée de la transmission, mais également sa fiabilité.

L’interrupteur Energy Harvesting, une solution élégante pour l’immotique

L’interrupteur sans fil autonome en énergie de ZF constitue une alternative sans pile pour le déclenchement d’actions dans une infrastructure de réseau maillé sans fil ou pour de la communication point à point. Dans ce cas de figure, la technologie de l’interrupteur à récupération d’énergie est tout simplement révolutionnaire. L’actionnement mécanique de l’interrupteur suffit à lui seul pour émettre un signal radio fiable et multi-redondant. Ce signal contient toutes les informations nécessaires à la communication entre les appareils connectés. Concernant l’échange de données, le marché est dominé par différents types de protocoles. Les plus connus et les plus utilisés sont les protocoles W-LAN, WIFI et Bluetooth, puis ZigBee, KNX RF, EnOcean et Z-Wave. La diversité de ces protocoles s’explique par leurs spécificités respectives. Les protocoles et leurs caractéristiques dépendent des différents types d’applications et d’équipements d’extrémité. L’interrupteur Energy Harvesting (EHS) de ZF peut être utilisé universellement. Il prend déjà en charge des protocoles standard bien connus comme KNX RF, Bluetooth, EnOcean et ZigBee.

L’EHS de ZF est, à ce jour, le seul interrupteur sans fil capable d’émettre un télégramme KNX RF sans batterie ni alimentation externe, et ce plusieurs fois (plus de 7), de façon redondante. ZF doit son secret à la micropuce fournie par On Semiconductor. Cette puce est la plus adaptée à cette application en raison de sa faible consommation énergétique. L’interrupteur peut être ainsi aisément intégré à toutes sortes de systèmes : domotique, applications industrielles, micro-mobilité, vélos électriques…

Fonctionnement et paramètres de conception de l’interrupteur Energy Harvesting de ZF

Functionality-and-design-parameters

Chaque protocole standard s’appuie sur une bande de fréquences fixe pour l’échange et la transmission d’informations. Chaque région du monde définit ses propres autorisations, notamment sur les plages de fréquences utilisables, et chaque pays a son protocole radio préféré. Le type de protocole dépend du secteur industriel et de ses exigences spécifiques, étant donné que tous disposent de caractéristiques spécifiques. Dans le secteur de la domotique, par exemple, la norme KNX RF, dans la fréquence des 868 MHz, est devenue la principale norme en Europe car elle traverse très facilement les murs et les obstacles. Il faut donc d’abord définir un marché cible avant de développer une nouvelle application radio telle que l’EHS.

La fréquence déterminée peut avoir une incidence sur la quantité d’énergie nécessaire pour émettre des télégrammes, ainsi que sur la portée radio et la conception de l’antenne. Le protocole sélectionné a donc une influence majeure sur les travaux de développement du convertisseur d’énergie, la gestion de l’énergie nécessaire et la technologie radio d’un EHS.

L’objectif est d’avoir une utilisation universelle de l’interrupteur radio autonome en énergie. Celui-ci doit donc être compatible avec les principaux protocoles standard du marché. Cela signifie qu’il doit être en mesure de générer la quantité d’énergie suffisante pour émettre les protocoles de routage respectifs.

Un protocole est une sorte de langage utilisé comme moyen de communication par les différents appareils d’un système. L’information est transmise via un télégramme dans le langage correspondant. La longueur du télégramme dépend du protocole. La règle qui s’applique est la suivante : plus le télégramme est long, plus il nécessite d’énergie.

Le débit de données (nombre de bits émis par seconde) constitue un autre paramètre défini par le type de protocole. Le débit de données est proportionnel à la fréquence utilisée. La durée de transmission des données dépend donc du débit de données et de la longueur des télégrammes. Ce paramètre indique la durée nécessaire pour envoyer un télégramme depuis un émetteur jusqu’à un récepteur couplé.

Plages de fréquences

Chaque protocole radio utilise une plage de fréquences particulière. Les bandes ISM sont des plages de fréquences utilisables sans licence ni autorisation particulière. L’Union internationale des télécommunications (UIT), qui est présente dans le monde entier, réglemente l’utilisation des fréquences radio et les services associés, conformément au droit international. D’après l’UIT, les bandes de fréquences suivantes sont identifiées mondialement comme étant des bandes ISM :

From To Type Notes
6,765 MHz 6,795 MHz A Short Range Devices (SRD)
13,553 MHz 13,567 MHz B Short Range Devices (SRD)
26,957 MHz 27,283 MHz B Short Range Devices (SRD)
40,66 MHz 40,70 MHz B Short Range Devices (SRD)
433,05 MHz 434,79 MHz A (SRD) for Region 1
902 MHz 928 MHz B for Region 2
2.4 GHz 2.5 GHz B A wide range of applications e.g. in the mobile consumer electronics sector

Type A : les fréquences devant être autorisées par les autorités des régions respectives.

Type B : les plages de fréquences disponibles librement, autorisées uniquement dans certaines régions du monde.

Outre la bande ISM, il existe d’autres plages de fréquences réservées exclusivement à certaines régions du monde et qui obéissent à des lois différentes. La bande SRD, de 863 à 870 MHz, est celle utilisée en Europe et en Asie. À l’échelle mondiale, la plupart des appareils sur le marché fonctionnent en 433 MHz (région 1 de la bande ISM), 868 MHz (bande SRD en Europe et en Asie) ou 915 MHz (région 2 de la bande ISM).

La fréquence 2,4 GHz est la plage de fréquences la plus courante et peut être considérée comme la norme internationale. Sa popularité s’explique par le fait qu’elle ne nécessite aucune licence et peut être utilisée partout. C’est pourquoi beaucoup de réseaux RF utilisent cette plage de fréquences, notamment W-LAN / WIFI, ZigBee et Bluetooth. La plupart des appareils disponibles utilisent donc ces protocoles pour communiquer. Le problème est que la rapidité et la stabilité d’un réseau sans fil dépendent du taux d’utilisation de sa bande de fréquences. Plus le nombre de technologies sans fil partageant la même fréquence est élevé, plus la bande de fréquences sera sujette aux interférences.

Selon la recommandation de la CEPT, la bande ISM des 868 MHz est utilisée en Europe ainsi qu’en Asie. Dans le secteur de la domotique, c’est cette bande qu’utilise KNX RF, le protocole le plus courant. D’autres protocoles standard comme EnOcean et Z-Wave s’appuient également sur cette plage de fréquences en raison de ses avantages non négligeables : elle est moins sujette aux interférences, offre une portée de transmission plus élevée et traverse plus facilement les obstacles.

Les États-Unis ont autorisé l’utilisation de la bande ISM des 915 MHz. Les protocoles standard tels que EnOcean et Z-Wave utilisent également cette plage de fréquences.

Protocoles standard

Actuellement, un grand nombre de protocoles standard coexistent. Le secteur de la domotique présente un intérêt particulier car il n’a de cesse d’évoluer et utilise une grande variété de types de protocoles. Beaucoup d’entreprises lancent des produits innovants et proposent des protocoles radio propriétaires pour obliger les clients à utiliser leurs produits.

La consommation d’énergie est aussi un sujet d’actualité, l’objectif étant d’en consommer le moins possible. C’est aussi l’un des objectifs de l’EHS, qui fonctionne sans source d’énergie supplémentaire. Par contre, il ne peut être utilisé que dans un système de communication unidirectionnelle. Cela signifie que l’interrupteur se comporte comme un simple émetteur radio : il émet un signal uniquement au moment nécessaire via un actionnement mécanique, mais sans pouvoir recevoir de signal en retour. Le protocole sans fil Z-Wave est, par contre, un exemple de technologie de communication sans fil bidirectionnelle. L’émetteur reçoit systématiquement un accusé de réception de la part du récepteur. Cela améliore la fiabilité de la transmission. Par contre, l’émetteur a besoin en permanence d’une alimentation supplémentaire pour pouvoir détecter le signal.

Le choix des protocoles radio les plus adaptés dépend des besoins spécifiques des applications. Il peut s’agir du volume de données transférées, de la sécurité de la transmission ou de sa portée. L’illustration qui suit présente les protocoles standard compatibles avec l’EHS car en adéquation avec les marchés cibles de ZF.

KNX RF

La norme KNX RF est un protocole de communication sans fil utilisé dans le secteur de la domotique et de l’immotique. L’association KNX regroupe plus de 80 000 partenaires dans 190 pays.

L’un des avantages de la norme KNX RF est sa compatibilité totale avec le système KNX TP (filaire) bien connu. Il s’agit d’un système de bus de 24 V qui échange à plus de 9600 bit/s les données provenant de différents capteurs et actionneurs interconnectés par des câbles.

Bluetooth

À l’origine, Bluetooth était utilisé principalement pour connecter des casques, des écouteurs, des haut-parleurs et des autoradios. Il permet de transmettre des flux de données en continu, par exemple des flux audio (musique ou appels téléphoniques).

Les versions Bluetooth 4.0 et ultérieures sont également connues sous l’appellation Bluetooth Low Energy (BLE). Cette variante de Bluetooth se caractérise par son excellente efficacité énergétique. Elle est ainsi utilisée pour de nombreuses applications dans les domaines de la santé, du sport, de la médecine, de l’électronique grand public, de la domotique et de l’électronique automobile. L’avantage principal de Bluetooth est sa compatibilité avec de nombreux appareils provenant de différents secteurs et entreprises.

Par rapport à la version 4.0, l’introduction de Bluetooth 5.0 a doublé la vitesse d’échange de données, et multiplié par 4 la portée et par 8 la capacité de transmission. Un autre avantage est le fonctionnement en maillage : chaque appareil Bluetooth peut servir de relais pour transmettre les données provenant des appareils avoisinants. Le risque d’interférences entre signaux utilisant la même plage de fréquences peut également être limité par des sauts de fréquence intelligents (jusqu’à 1600 sauts par seconde) sur les canaux libres.

EnOcean

Le protocole sans fil EnOcean est utilisé principalement dans la domotique et met l’accent sur les technologies autonomes en énergie. En 2012, il a été ratifié comme norme internationale ISO / IEC 14543-3-10.

ZigBee

ZigBee est un protocole standard international basé sur la technologie des réseaux maillés pour la communication des appareils en intérieur. L’adoption de ZigBee reste toutefois limitée. Cela s’explique entre autres par le fait que de nombreux appareils, même s’ils ont été certifiés, ne sont pas compatibles avec des appareils d’autres fabricants. De nombreux fabricants essaient de se démarquer de leurs concurrents et proposent des fonctions et des protocoles propriétaires. Par conséquent, la norme ZigBee a tendance à se complexifier et n’est plus en mesure de prendre totalement en charge certains équipements d’extrémité.

Portée

La portée d’un signal radio est influencée par sa longueur d’onde, d’une part, et par sa puissance, d’autre part. En général, on peut dire qu’à puissance constante du signal, la fréquence et la portée sont inversement proportionnelles. En extérieur, la portée que peuvent atteindre des signaux radio basés sur une fréquence de 868 MHz est de 300 mètres (en prenant comme référence les produits ZF). Certains signaux radio peuvent toutefois atteindre des distances bien plus grandes dans cette plage de fréquences. En principe, les signaux à 2,4 GHz peuvent porter jusqu’à environ 100 mètres.

Dans les bâtiments, les signaux sont perturbés par les obstacles, qui en réduisent significativement la portée. La dégradation de la puissance du signal dépend des matériaux qui composent l’obstacle, de son épaisseur, ainsi que de l’emplacement et de la disposition du capteur et de l’unité de réception couplés. Par exemple, le métal et le béton atténuent les signaux beaucoup plus fortement que le verre ou le bois. Un signal Bluetooth généré par l’EHS de ZF avec une puissance de transmission de 0,33 mW peut porter jusqu’à 10 mètres à 0 dBm à l’intérieur d’un bâtiment. En général, les basses fréquences traversent plus facilement les portes, les murs et les plafonds.

Longueur et structure des télégrammes

La longueur et la structure d’un télégramme sont définies par le protocole standard. Par exemple, la longueur d’un télégramme est de 35 octets pour la norme KNX RF, 21 octets pour ZigBee et 14 octets pour EnOcean. En règle générale, plus le télégramme est long, plus son émission nécessite d’énergie.

Débit et durée de transmission des données

Le débit de données est défini par le type de protocole. Il indique le nombre de kbit/s émis entre un émetteur et un récepteur qui lui est couplé. En général, le débit de données est proportionnel à la fréquence utilisée. C’est plus particulièrement le cas lors de la transmission de volumes de données importants, comme avec les services de diffusion audio où le débit de données joue un rôle majeur. C’est la raison pour laquelle la technologie radio W-LAN se distingue des autres dans ce domaine, avec son débit de données très élevé.

C’est la durée de transmission des données qui joue le rôle le plus important avec l’EHS de ZF. Cette durée peut être calculée à partir du débit de données et de la longueur des télégrammes. Plus le télégramme est long et le débit de données est faible, plus l’émetteur mettra de temps à émettre les données. À l’inverse, cela signifie que l’interrupteur radio doit convertir sous forme électronique l’énergie de l’actionnement mécanique, puis stocker celle-ci et la délivrer en accéléré jusqu’à transmission complète du signal. Pour garantir la sécurité de la transmission d’un télégramme, il est nécessaire de diffuser celui-ci plus de trois fois.

Conclusion

Dans les domaines de l’immotique, de la domotique et des applications industrielles, il existe différents types de protocoles qui présentent des avantages et des inconvénients en fonction des besoins spécifiques auxquels ils répondent. Avant d’installer un réseau sans fil, il faut donc d’abord identifier et préciser ces besoins spécifiques. Les propriétés des protocoles sont fortement déterminés par la fréquence sous-jacente. Les critères fondamentaux pour choisir le meilleur protocole sont la sécurité et la fiabilité de la transmission, sa portée et son efficacité énergétique.

Grâce à des solutions innovantes telles que les sauts de fréquence lorsque les bandes de fréquences sont surchargées, l’extension de la portée via les réseaux maillés, et la réduction de la consommation énergétique grâce aux interrupteurs sans fil autonomes en énergie, les fabricants n’ont de cesse d’optimiser leurs systèmes. Le développement des technologies radio aide également à explorer de nouvelles applications, par exemple pour réaliser les futurs véhicules autonomes grâce à la 5G, pour rendre les systèmes de vélos électriques plus intelligents via Bluetooth, ou pour trouver les places de stationnement libres par le biais de capteurs radio intégrés.

2019-09-24T12:13:35+01:00

About the Author: