Comment développer un système de mesure sans fil

La communication sans fil offre de nombreux avantages pour les applications de mesure, dont des coûts de câblage relativement bas et des capacités de contrôle déporté. Toutefois, le choix d’une technologie et d’une méthode de mise en œuvre peut se révéler difficile si on ne connaît pas bien les avantages et les inconvénients de chaque norme sans fil. Ce document aborde, les unes après les autres, les différentes technologies sans fil existantes et explique comment profiter de la communication sans fil avec le matériel de mesure National Instruments et NI LabVIEW.

Technologies sans fil pour la mesure et l'automatisation

Depuis plusieurs années déjà, les technologies de communication sans fil se sont répandues avec l'électronique de grande consommation. Il existe des centaines de fabricants différents d'équipement sans fil et tout autant de normes en la matière. En comprenant mieux les avantages et les inconvénients de chaque technologie, vous aurez plus de facilité à faire votre choix. C'est particulièrement important en mesure et en automatisation car on ne peut pas faire de compromis sur les données de mesure, même en se reposant sur les ondes radio. Vous pouvez utiliser les technologies sans fil suivantes pour optimiser un système de mesure. Chacune se distingue par ses propres avantages et caractéristiques.

Wi-Fi et 802.11 b/g : la norme IEEE 802.11 englobe toute une série de spécifications pour la technologie LAN sans fil. Elle fait référence à une interface OTA (over-the-air) entre un client sans fil et une station de base, ainsi qu'à la communication entre deux clients sans fil. L'IEEE 802.11 original définit des vitesses de communication de 1 ou 2 Mb/s dans la bande 2,4 GHz. Les méthodes de transmission incluent une FHSS (modulation à spectre étalé à sauts de fréquence) et une DSSS (modulation à spectre étalé à séquence directe).

Le 802.11b est l'extension de la norme communément appelée Wi-Fi, et qui a popularisé les réseaux sans fil dans les bureaux et dans les maisons individuelles. Cette variation offre des vitesses de transmission de 11 Mb/s dans la bande 2,4 GHz.

Le 802.11g offre 20 Mb/s de bande passante ou plus, en fonction des conditions environnementales et du bruit. National Instruments a choisi cette norme en acquisition de données Wi-Fi pour sa fiabilité, sa sécurité et sa popularité. Vous en saurez plus sur les produits d'acquisition de données (DAQ) Wi-Fi proposés par NI ultérieurement dans ce document.

Caractéristiques essentielles de l'IEEE 802.11 :

• fréquence de fonctionnement : b/g - 2,4 GHz
• vitesse de données : B/g 11 Mbps, g 54 Mbps
• distance : b/g - 100 m
• mise en réseau : point au multipoint
• consommation d'énergie : élevée

Bluetooth (802.1a) : un consortium de sociétés dont Ericsson, IBM, Intel, Nokia et Toshiba ont défini cette norme. Leur principale intention était de permettre aux matériels de communiquer sur de courtes distances, soit moins de 10 mètres. Toutefois, cette norme n'a pas pris autant d'ampleur que le 802.11, principalement à cause des restrictions en termes de distance et du prix des puces radio. La connexion des périphériques du PC, la connexion téléphonique et du casque audio, et les PDA utilisent souvent cette norme sans fil. Elle opère dans la gamme 2,4 GHz et utilise une GFSK (modulation par déplacement de fréquence gaussienne) pour moduler les données. Ce spectre de fréquences se divise en 79 canaux, chacun espacé d'un 1 MHz l'un de l'autre. À l'instar du 802.11, le Bluetooth utilise un saut de fréquences pour des besoins de sécurité, en changeant de canaux jusqu'à 1600 fois par seconde.

L'inconvénient du Bluetooth pour les mesures est son débit limité et sa gamme de transmission limitée. Ses configuration et sécurité ne sont pas aussi évolutives que celles du 802.11g.

Caractéristiques essentielles du Bluetooth (802.1a) :

• fréquence de fonctionnement : 2,4 GHz
• vitesse de données : 1 Mbps
• distance : 10 m 100 m
• mise en réseau : ad hoc
• consommation d'énergie : moyenne

GPRS, GSM : le GPRS (General Packet Radio Service) est un service non vocal dont l'objectif est d'envoyer et de recevoir des informations sur un réseau téléphonique mobile. Grâce au GPRS, vous pouvez envoyer ou recevoir des données juste après qu'elles ont été produites, tant que le signal radio est présent. Contrairement aux lignes terrestres traditionnelles, ce système ne nécessite pas d'établir une connexion car il est toujours connecté. C'est un avantage certain pour les applications où le temps et la rapidité de réaction face aux événements sont cruciaux. Le GPRS superpose une interface radio à base de paquets de données par dessus le circuit existant commuté au réseau GSM (Global System for Mobile Communications). La vitesse de transmission de données maximale théorique est de 172,2 Ko/s, mais cela implique qu'un seul et unique utilisateur communique sur les espaces temporels alloués et qu'il n'y a aucune protection contre les erreurs. Toutefois, les vitesses pratiques sont généralement plus lentes que les réseaux fixes, et dépendent largement des structures environnantes, de la force du signal radio et du nombre d'utilisateurs.

Caractéristiques essentielles du GSM :

• fréquence de fonctionnement : le GSM-850 utilise la bande de fréquence 824 849 MHz pour envoyer des informations du terminal (Station Mobile) vers la Station de base (liaison ascendante), et la bande de fréquence 869 894 MHz dans l'autre sens (liaison descendante). Le GSM-1900 utilise la bande de fréquence 18 501 910 MHz pour envoyer des informations de la Station Mobile vers la Station de base (liaison ascendante) et la bande de fréquence 19 301 990 MHz dans l'autre sens (liaison descendante). Le GSM-900 utilise la bande de fréquence 890 915 MHz pour envoyer des informations de la Station Mobile vers la Station de base (liaison ascendante) et la bande de fréquence 935 960 MHz dans l'autre sens (liaison descendante), chacune de ces bandes comprend 124 porteuses, ou canaux, de 200 kHz chacune. L'écart Duplex (écart entre les deux fréquences) est de 45 MHz. Le GSM-1800 utilise la bande de fréquence 17 101 785 MHz pour envoyer des informations de la Station Mobile vers la Station de base (liaison ascendante) et la bande de fréquence 18 051 880 MHz dans l'autre sens (liaison descendante), offrant ainsi 299 porteuses. L'écart Duplex (écart entre les deux fréquences) est de 95 MHz.

• Vitesse de données : 172,2 kbps
• Distance : b35 km
• Mise en réseau : point à point
• Consommation d'énergie : élevée ou basse, en fonction de la complexité du transmetteur

Modems sans fil et réseaux propriétaires : plusieurs fabricants offrent des modems industriels spécialement conçus pour des environnements durcis avec des gammes de températures extrêmes dans des conditions de choc et de vibration élevées. Il existe des produits qui se caractérisent par une bande étroite (UHF, VHF) ou une modulation à spectre étalé sans besoin de licence. D'habitude, une bande étroite a besoin d'une licence, offre des gammes plus longues et une excellente propagation, supporte la capacité de transmettre même hors de portée visuelle et convient aux applications qui nécessitent une faible largeur de bande. Les caractéristiques de la modulation à spectre étalé incluent le fait qu'aucune licence n'est nécessaire, qu'elle offre des capacités de gammes courte, moyenne et longue, qu'elle nécessite habituellement une portée visuelle, et convient aux applications à largeur de bande moyenne et élevée.

 

Les avantages du sans fil

L'intérêt principal de la technologie sans fil pour les applications de mesure est sa capacité à réduire au minimum ou à éviter l'utilisation de câbles et de fils. En effet, en fonction de la nature de l'application et de l'environnement, le câblage physique peut se révéler coûteux, peu pratique ou même impossible. Par exemple, il est parfois nécessaire d'utiliser des plates-formes pouvant bouger et/ou tourner, des applications mobiles (par exemple, des véhicules ou des grues), et d'autres types de structures qui compliquent le câblage de l'installation.

Les communications sans fil étendent aussi la distance, ou la gamme de l'acquisition de données et des E/S au-delà de ce qui est pratiqué avec le câblage. Par conséquent, les opérations de grande envergure, comme les installations de traitement des eaux et les réservoirs de stockage d'eau, utilisent abondamment les technologies sans fil. Même si l'investissement initial nécessaire pour la mise en réseau sans fil du matériel peut se révéler plus élevé que celui d'un matériel câblé traditionnel, le coût du système tout entier, y compris les coûts de l'installation et de fonctionnement, est généralement nettement plus bas.

En choisissant de mettre en œuvre un réseau sans fil, il existe plusieurs facteurs à prendre en considération.

• Les performances
• La gamme
• La sécurité

Les performances :
en matière de performances, il est important de considérer la taille du spectre, la distance, la vitesse des données, la puissance, le nombre d'utilisateurs et la compatibilité des technologies.

Même si différentes normes sans fil définissent des vitesses de données spécifiques, en pratique, vous n'aurez qu'une vitesse de données d'environ 30 % ou moins du débit maximum théorique dans une application pratique. Des facteurs comme l'interférence RF et le nombre d'utilisateurs influencent les performances des réseaux sans fil. En outre, si vous utilisez plusieurs normes compatibles, la norme la plus rapide est habituellement limitée par la norme la plus lente. Par exemple, en utilisant les composants 802.11b et 802.11g sur le même réseau, les composants 802.11g ralentissent pour rejoindre la vitesse des données du 802.11b.

Il y a un compromis constant entre la gamme et le débit. Votre matériel devrait capter automatiquement la force des signaux (à moins que vous en ayez décidé autrement), et renvoyer la vitesse de transmission dès que votre signal s'affaiblit. Si vous utilisez le 802.11b par exemple, il ralentit automatiquement la vitesse de 11 Mo/s à 5,5, 2 et même 1 Mo/s. Pour la plupart des connexions Internet, cette largeur de bande est toujours suffisante.

La gamme :
généralement, la gamme d'un matériel sans fil diminue à mesure que la fréquence augmente, mais ce n'est pas toujours le cas. Les tests prouvent que le 802.11g présente une gamme identique, ou peut-être légèrement meilleure que le 802.11b, même en utilisant la même fréquence. Il existe des matériels qui sont conçus pour ajouter une gamme sans fil aux ordinateurs portables en augmentant la puissance de la carte après la limite de certification Wi-Fi de 100 mW. Avant d'acheter des points d'accès supplémentaires pour votre système, pensez à ajouter une carte à gamme étendue si votre administrateur local le permet.

Habituellement, les antennes directionnelles sont les mieux adaptées dans un usage point à point. Elles orientent le signal dans un faisceau étroit au lieu de le laisser rayonner dans toutes les directions comme l'antenne isotropique située dans votre station de base. En conclusion : plus le gain de l'antenne est élevé, plus le faisceau est étroit. Ainsi, au fur et à mesure que le gain augmente, il devient difficile de viser correctement l'antenne. Cela augmente le risque pour que le récepteur manque les données transmises si elles ne sont pas alignées correctement. Les antennes directionnelles se distinguent habituellement par leurs caractéristiques en termes de gain. Vous pouvez observer l'effet du gain sur les descriptions de la largeur du faisceau de chaque antenne.

Ainsi, les antennes directionnelles au gain très élevé conviennent tout particulièrement aux applications où vous pouvez facilement viser une antenne distante. Une fois l'alignement correct, le gain élevé assure les taux de transmission et un degré de sécurité les plus élevés possibles comme il devient plus difficile d'intercepter le signal. Des distances très longues ont été couvertes en cours d'expérimentation.

La sécurité :

au moment d'installer des réseaux sans fil, la sécurité est un élément essentiel. La croissance et la popularité rapides des réseaux sans fil à la fois dans les bureaux et les habitations ont conduit à la mise en œuvre d'un grand nombre d'applications diverses, dont la transmission d'informations à titre privé. Le besoin de confidentialité a abouti au développement de protocoles de sécurité sans fil et sécurise de plus en plus cette technologie.

La norme 802.11 originale incluait un protocole de sécurité appelé WEP (Wired Equivalent Privacy), qui cryptait des paquets de données suffisamment bien pour éloigner toute sorte de curieux aux intentions maléfiques mais présentait toujours quelques faiblesses. L'industrie avait besoin d'un système de cryptage/d'authentification plus puissant, ce qui a abouti à la mise en œuvre de l'IEEE 802.11i (communément appelé WPA2). Le WPA2 offre l'EAP (Extensible Authentication Protocol) et l'AES (Advanced Encryption Standard), un algorithme cryptographique de 128 bits adopté par le NIST et imposé dans toutes les institutions gouvernementales américaines.

Une autre mesure de sécurité consiste à réduire au minimum la propagation des ondes radio en dehors de la zone contrôlée physiquement d'une installation. Cela sécurise davantage le réseau sans fil en réduisant l'espionnage potentiel et d'éventuelles attaques.

Vous pouvez trouver davantage d'informations sur la sécurité sans fil ici.

 

Ajouter les caractéristiques du sans fil à un système de mesure

Wi-Fi et 802.11 b/g : les matériels d'acquisition de données (DAQ) Wi-Fi de NI offrent des mesures simples et sécurisées dotés de caractéristiques de transmission de données en continu hautes performances sur des technologies standards éprouvées. Vous pouvez visualiser les données en temps réel, mesurer les formes d'ondes dynamiques en continu à une vitesse maximale de 51,2 kéch./s par voie. En outre, le conditionnement de signaux intégré offre une connectivité pour toute une variété de capteurs, dont des thermocouples, des accéléromètres, des cellules de charge, etc. Ces matériels profitent des modules de mesure et de contrôle de la Série C de NI, aussi utilisés pour l'acquisition de données USB et les contrôleurs d'automates programmables (PAC) NI CompactRIO.

Visite guidée de l'acquisition de données Wi-Fi >>

Figure n°1. DAQ Wi-Fi de NI

En utilisant le WPA2, la sécurité en réseau la plus reconnue, les périphériques DAQ Wi-Fi protègent votre système contre toute intrusion indésirable. L'authentification garantit que seuls les matériels autorisés ont un accès réseau et le cryptage empêche aux paquets de données d'être interceptés. Les matériels DAQ Wi-Fi supportent plusieurs méthodes EAP (Extensible Authentication Protocol) qui offrent une authentification mutuelle entre les matériels DAQ et les points d'accès sans fil. Ils supportent aussi le cryptage AES 128 bits, supporté par le NIST et imposé dans toutes les institutions gouvernementales américaines. Avec de forts protocoles de sécurité, vous pouvez incorporer une connectivité sans fil avec des réseaux d'entreprise existants en toute sécurité.

Les matériels DAQ Wi-Fi incluent le driver NI-DAQmx et des logiciels de services de mesure avec des interfaces de programmation d'applications intuitives, des utilitaires de configuration, des assistants d'E/S, et des outils conçus pour réduire la configuration système et le temps de développement.

Il existe d'autres options en fonction du matériel de mesure et de contrôle NI que vous utilisez. Tous les produits PAC (contrôleurs d'automatismes programmables) de National Instruments présentent des ports Ethernet. Vous pouvez connecter un automate programmable industriel NI comme un NI Compact FieldPoint, CompactRIO, Compact Vision System ou un système PXI à un point d'accès Wi-Fi comme le NI WAP-3701. Cela rend immédiatement votre système disponible sur le réseau sans fil et les communications deviennent transparentes, comme si c'était connecté à un réseau câblé.

Pour un PC de bureau ou un portable avec un matériel d'acquisition de données NI, vous pouvez utiliser le port Ethernet de l'ordinateur pour vous connecter à un point d'accès Wi-Fi, ainsi qu'aux adaptateurs Wi-Fi PCI et PCMCIA du marché. Presque tous les nouveaux ordinateurs de bureau et notebook intègrent désormais des capacités Wi-Fi.

En utilisant LabVIEW et les protocoles de communication standards comme le TCP/IP, votre application peut échanger des données avec vos matériels et les transmettre de façon transparente sans se soucier de savoir si les données passent par un câble Ethernet physique ou des ondes radio dans les airs.

Par exemple, LabVIEW offre des fonctions intégrées pour la communication TCP (voir Figure n°1). Ces fonctions fonctionnent de la même façon que le système de mesure soit connecté au réseau via un câble ou via un modem sans fil.

 

Bluetooth (802.1a) : la technologie Bluetooth dans son format actuel (et même avec la nouvelle spécification de Classe 1 de gamme étendue), convient essentiellement aux systèmes basés systèmes d'exploitation polyvalents (par exemple, Windows). En utilisant un PC pour héberger le système de mesure, vous pouvez utiliser les bibliothèques Bluetooth intégrées de LabVIEW (Figure n°2). Il existe plusieurs adaptateurs série-à-Bluetooth et USB-à-Bluetooth pour ajouter des capacités Bluetooth à un ordinateur de bureau ou portable. Bon nombre de nouveaux portables offrent déjà un émetteur/récepteur Bluetooth intégré. Nombreux sont les PDA qui incluent aussi la communication Bluetooth, auxquels, via le Module LabVIEW PDA, vous pouvez accéder par programmation.

GPRS, GSM : la configuration de votre système de mesure pour envoyer des données sans fil en utilisant un réseau GPRS est légèrement plus complexe qu'avec d'autres technologies. Voici la liste des conditions nécessaires pour bien démarrer : 

1. Un terminal qui supporte le GPRS
2. Un abonnement à un réseau téléphonique mobile qui supporte le GPRS (Remarque : l'utilisation du GPRS doit être configurée pour un utilisateur spécifique. Certains fournisseurs mobiles autorisent un accès automatique au réseau GPRS, alors que d'autres exigent une acceptation explicite.)
3. Un certain savoir-faire est nécessaire au moment d'envoyer et/ou de recevoir les données du GPRS, en fonction du matériel spécifique que vous utilisez, comme par exemple la configuration matérielle ou logicielle
4. Une destination à laquelle envoyer ou recevoir des informations via le GPRS (Remarque : une destination peut être une URL, un autre matériel GPRS ou une application logicielle recevant les données, ou un téléphone.)

Il existe quelques options spécialement conçues pour le matériel NI (voir Figure n°3), comme le module GPRS/GSM pour CompactRIO par S.E.A. Science and Engineering Applications Datentechnik GmbH (SAE). Avec ce module, vous pouvez contrôler et commander à distance par des réseaux téléphoniques mobiles des systèmes de mesure mobiles et non accessibles. Pour une détermination exacte de la position, vous avez à votre disposition un module GPS supplémentaire. Des systèmes distribués peuvent être synchronisés de façon temporelle par le module RCC. La plate-forme pour ces applications d'acquisition de données de mesure est le système CompactRIO. Cette plate-forme, combinée au module mobile CRIO Gxxx, offre une solution attrayante pour les systèmes mobiles, par exemple, dans les applications automobile, d'expédition, aérospatiale et des téléservices. Le module combinatoire cRIO Gxxx mobile offre des fonctionnalités GPRS, GPS et d'horloge radio piloté (Radio Clock). Ce module permet la détermination de la position et la transmission de données de mesure ou de messages événementiels. En outre, de petits paquets de données ou des paramètres peuvent s'échanger sous la forme de messages textuels (SMS) dans les deux sens.

Les applications typiques pour cette technologie sont des appareils, des terminaux ATM, le secteur automobile, une collection de données déportées, des pompes à gaz, des systèmes de contrôle déporté pour le monde industriel et médical, des diagnostics déportés, du dosage à distance, des systèmes de sécurité ainsi que des distributeurs/machines à sous.

Modems sans fil et réseaux privés : il existe un grand nombre de sociétés qui offrent des matériels industriels capables de fonctionner soit dans des bandes de fréquence libres soit dans des bandes de fréquences sous licence privée. L'avantage d'un réseau RF privé est que vous possédez le système et les fréquences sur lesquels les données sont transmises. Cela permet un échange de données temps réel et habituellement, vous ne subissez pas de coûts de ré-inscription ou d'utilisation récurrents. En fonction de votre équipement de mesure, des distances, de la sécurité, et des exigences en termes de coût, vous avez le choix parmi plusieurs types de modems, dont plusieurs rendent la connexion sans fil transparente au logiciel.

 

Conclusion

En ajoutant des capacités de communication sans fil à votre système existant ou à votre nouveau système de mesure, vous pouvez améliorer de façon conséquente sa portée et sa flexibilité, et même réduire les coûts. Que vous utilisiez l'acquisition de données Wi-Fi de NI, un PC ou un portable avec un matériel d'acquisition de données, les connexions nécessaires pour rendre le système sans fil sont facilement accessibles. Au fur et à mesure que les technologies sans fil évoluent et que leurs coûts et complexité diminuent, votre système en fait de même en se contentant de les intégrer dans votre système de mesure.

Voir également :

• Acquisition de données Wi-Fi
• Automates programmables industriels NI
• NI LabVIEW pour le contrôle déporté