Quelle norme sans fil vous convient-elle le mieux ?

Wi-Fi, Bluetooth ou ZigBee ? Tom McKinney, qui travaille chez HMS Industrial Networks, dresse un état des lieux des normes sans fil de courte portée disponibles pour les applications industrielles.

Le buzz suscité par l'Internet des objets industriels (Industrial Internet of Things, IIoT) ne cesse de prendre de l'ampleur. Avec la hausse du volume de données collectées par les entreprises à propos de leurs opérations, le marché des équipements IIoT va connaître une croissance exponentielle au cours des prochaines années. Ces données serviront à surveiller et à optimiser les process et, à mesure que les entreprises apprendront à mieux les utiliser, il en résultera une productivité accrue. Outre la productivité interne, ces données pourraient conduire à améliorer les opérations B2B, ce qui profitera à la fois au producteur et au consommateur.

De nombreuses avancées technologiques ont convergé pour permettre des déploiements IIoT de grande envergure. Elles concernent notamment la baisse du coût de stockage des données, la réduction de la consommation électrique des solutions RF et l'accessibilité accrue des réseaux. Un autre facteur important ayant permis l'IIoT est la standardisation du sans fil.

Le sans-fil n'a rien de nouveau
Les réseaux sans fil sont utilisés depuis plus de 30 ans dans l'industrie. Auparavant, il s'agissait généralement de systèmes propriétaires utilisant les bandes de fréquences inférieures à 1 GHz. Ces solutions utilisaient des techniques de modulation simples, comme la modulation par déplacement d'amplitude ou de fréquence. Les radios prenant en charge ces types de modulation pouvaient être facilement créées à l'aide de quelques composants discrets. Ces solutions présentaient toutefois deux inconvénients majeurs : une absence de sécurité et une bande passante limitée.

Au cours des vingt dernières années, plusieurs normes ont été développées pour définir des solutions radio fiables. Les normes les plus récentes sont suffisamment sûres pour les déploiements de grande ampleur. De plus, plusieurs nouvelles bandes de fréquences d'utilisation libre ont été introduites dans les années 80, notamment les bandes 2,4 et 5 GHz. Aujourd'hui, le déploiement d'une solution radio standardisée est un moyen sûr et économique de surveiller et contrôler les équipements sur le terrain ou en usine. Compte tenu du nombre de normes sans fil parmi lesquelles choisir, la question essentielle consiste à déterminer la norme la plus appropriée à déployer.

Penchons-nous sur les trois normes sans fil les plus couramment déployées sur la bande 2,4 GHz :

Bluetooth, Wi-Fi et ZigBee.

Wi-Fi
Le Wi-Fi ou IEEE 802.11a/b/g/n est la solution réseau TCP/IP sans fil la plus largement déployée par le grand public et les entreprises. Le Wi-Fi, abréviation de « Wireless Fidelity », est une norme utilisée pour identifier les équipements de réseau local sans fil (Wireless Local Area Network, WLAN). L'organisme chargé de la gestion de cette norme a pour objectif de créer la meilleure alternative possible aux réseaux TCP/IP filaires. Il donne la priorité à la sécurité et à la vitesse. C'est pourquoi le 802.11n offre la bande passante la plus élevée de toutes les normes sans fil de courte portée. Ses inconvénients sont la consommation électrique et la puissance de traitement requises pour gérer la pile 802.11 de manière efficace. Ces inconvénients ont créé un écart sur le marché, et d'autres normes ont émergé pour répondre au besoin de réseaux sans fil à très faible consommation.

Bluetooth
Le Bluetooth et le ZigBee ont été créés pour satisfaire les besoins mal couverts par le Wi-Fi. La norme Bluetooth répond aux besoins de réseau personnel (Personal Area Network, PAN) à faible consommation. Un PAN est un réseau de très courte portée, à proximité d'une personne ou d'un périphérique intelligent. Ses avantages sont la rapidité d'association, la simplicité des interfaces homme-machine et la faible consommation d'énergie. Dans un PAN, plusieurs émetteurs peuvent être placés à proximité immédiate. Le Bluetooth inclut une temporisation pour éviter le chevauchement des émetteurs des équipements. Il a aussi été conçu en partant du principe qu'il devrait cohabiter avec le Wi-Fi. C'est pourquoi il inclut un algorithme de sauts de fréquence pour garantir la transmission des messages, même avec plusieurs canaux Wi-Fi actifs. Enfin, le Bluetooth utilisant un émetteur de très faible puissance, il est moins sensible au multipath que le Wi-Fi. Le Bluetooth peut ainsi être déployé sans nécessiter d'importantes études de site RF ni de planification. Le système résiste très bien au bruit et aux interférences.

ZigBee
ZigBee repose sur IEEE 802.15.4, une norme radio sans fil universelle à faible consommation qui permet d'ajouter différents protocoles à la radio standard. ZigBee a été conçu pour prendre en charge des réseaux de capteurs de faible consommation capables de couvrir une surface étendue. ZigBee utilise une topologie de réseau maillé ainsi qu'un profil de puissance très agressif pour répondre aux besoins de ce marché de niche. Le protocole de ZigBee a été conçu pour offrir une activation et une désactivation rapides afin d'économiser l'énergie. Plusieurs autres protocoles ont été conçus à partir de la norme 802.15.4, notamment ISA100, WirelessHART et 6LoWPAN.

Bluetooth Low Energy
Le Bluetooth Low Energy (BLE) est une version plus récente de la norme Bluetooth. Exploitant certaines des techniques utilisées dans la norme 802.15.4, le BLE atteint des niveaux de consommation d'énergie encore inférieurs à ceux du ZigBee et prend en charge la plupart des fonctionnalités créées pour ZigBee.

Choix de la norme appropriée
La norme la plus adaptée dépend des besoins du système. Pour résumer, le Wi-Fi offre la bande passante la plus élevée et la pile la plus complète, mais le Bluetooth, le BLE et le ZigBee possèdent des caractéristiques particulièrement adaptées à certaines applications. Par exemple, pour surveiller des capteurs alimentés par batterie sur une surface étendue, le ZigBee est la norme la plus indiquée. Le Bluetooth et le BLE fonctionnent bien comme technologie point à point sans fil ou pour la surveillance de capteurs sur une zone réduite. Le BLE est présent sur un nombre considérable de tablettes et de smartphones, ce qui en fait un excellent choix pour les interfaces homme-machine.

Bien que les normes technologiques puissent varier, il ne fait aucun doute que de plus en plus d'applications seront connectées via un protocole sans fil dans un avenir proche. Avec l'avènement de l'IIoT, des milliards d'équipements devront être connectés à Internet, et nombre de ces connexions seront probablement sans fil.

Résumé des points forts et points faibles de chaque norme :

1) Wi-Fi
  a.Points forts
i.Bande passante la plus élevée : jusqu'à 600 Mbit/s avec le 802.11n
ii.Canaux fixes 25 MHz ou plus
iii.Prise en charge des bandes 2,4 et 5 GHz
iv.Nombreuses fonctions de sécurité
b.Points faibles
  i.La portée est plus faible avec les débits élevés et sur la bande 5 GHz
ii.Inadapté aux capteurs alimentés par batterie

2) Bluetooth/BLE
     a.Points forts
           i.Très faible consommation d'énergie
            ii.Déploiement massif
            iii.Excellentes performances dans les environnements sans fil saturés ou bruyants
            iv.Simplicité d'utilisation, aucun besoin de planification des fréquences ou de création d'un plan de site
      b.Points faibles
           i.Débit maximal de 2 Mbit/s
           ii.Aucune norme d'itinérance automatisée

3) ZigBee
      a.Points forts
           i.Très faible consommation d'énergie
           ii.Canaux fixes entre les canaux Wi-Fi sur la bande 2,4 GHz
          iii.Prise en charge des bandes inférieures à 1 GHz
      b.Points faibles
          i.Réseau maillé complexe
          ii.Bande passante maximale de 250 Kbit/s

À propos de l'auteur : Tom McKinney est directeur du développement commercial chez HMS Labs, la branche de HMS Industrial Networks en charge de l'innovation. Tom a de nombreuses années d'expérience en matière de gestion de l'ingénierie des technologies sans fil, VoIP et 1394. Il a rédigé de nombreux ouvrages sur les technologies sans fil et donne régulièrement des conférences sur ce sujet.
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Pour plus d'informations sur les solutions sans fil de communication industrielle, visitez le site www.anybus.com.

Tom McKinney, directeur du développement commercial chez HMS Industrial Networks.

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