LES RÉSEAUX SANS FIL EN AUTOMATISME INDUSTRIEL

Les réseaux sans fil s'immiscent de plus en plus dans les applications d'automatisation industrielle. Nous pouvons les rencontrer dans des applications destinées à faire communiquer différents types de terminaux entre eux, à échanger des données avec des capteurs ou avec des machines, à enregistrer des données saisies par des opérateurs mobiles, ou à permettre d'établir une liaison entre une console de programmation et un système de contrôle. Ces technologies sont nombreuses et variées, mais toutes ne sont pas applicables à un contexte industriel. Actuellement, les système de communication sans fil le plus souvent rencontrés dans le monde industriel sont basés sur la transmission des ondes radio.

Nous devons prendre en compte que le choix d'une technique dépend des objectifs visés : elle sera sera différente selon qu'une application se destine à un usage particulier ou selon qu'elle se destine à un usage collectif par exemple. Quant à la solution technique retenue, elle dépendra de l'ordre de grandeur des distances entre émetteurs et récepteurs : de l'ordre de quelques millimètres à quelques centimètres pour une application de traçage RFID, jusqu'à de très très grandes distances pour pouvoir dialoguer avec un satellite. De tels réseaux peuvent aussi être conçus pour interconnecter des systèmes uniquement numériques ou bien pour transmettre n'importe quel type de signal avec n'importe quel système de contrôle. Il en résulte finalement que tous ces paramètres participent à la conception de l'architecture d'un système et au choix des caractéristiques que l'on souhaite lui adjoindre.

Le plus grand bénéfice que l'on puisse retirer de l'utilisation de ces techniques semble être l'obtention d'une structure très souple avec peu de câbles, bien adaptée pour communiquer avec des équipements ou du personnel mobiles dans le but de communiquer avec des équipements difficilement accessibles ou pour construire des ateliers flexibles. Quelques uns de ses inconvénients sont une sensibilité élevée vis à vis des interactions avec l'environnement ( dans un contexte industriel, les réflexions des ondes électromagnétiques peuvent fortement perturber voire bloquer totalement les transmissions radio par exemple ), une consommation d'énergie beaucoup plus élevée ( une petite pensée pour les réseaux WiFi en comparaison avec des réseaux câblés … ) et une grande sensibilité au piratage numérique.

Jusqu'à présent, les transmissions de données numériques sans fil sont basées principalement sur la modulation des ondes électromagnétiques ( dans une très grande gamme de fréquences et selon des méthodes diverses ). Beaucoup d'autres principes physiques connus pourraient être employés pour transférer des données, mais leur usage reste limité dans la plupart des cas à moins qu'ils ne soient en cours d'expérimentation dans des laboratoires de recherche. Par le passé, un certain nombre d'autres solutions fondées sur des principes physiques différents ont pu être proposées qui - le temps aidant - sont dorénavant considérées comme obsolètes, comme la transmission d'informations à l'aide d'un télégraphe par exemple.

Transfert de données par modulation d'ondes électromagnétiques.

Dans l'industrie, nous pouvons directement transmettre des données par ondes radio en utilisant un modem radio en association avec un protocole de communication adéquat ou en association avec certaine technologie réseau qui s'y adapte.

Parmi ces différentes possibilités, nous pouvons distinguer les technologies WiFi et ZigBee, toutes les technologies employées par les réseaux cellulaires de téléphonie mobile plus un certain nombre de technologies exploitées pour communiquer avec les satellites. Nous pouvons aussi prendre en considération la technologie RFID ( identification par radio-fréquence ) qui est essentiellement utilisée comme interface de proximité dans un but d'identification et de traçabilité. En dehors des applications industrielle, nous pouvons y trouver les réseaux Bluetooth, la boucle locale radio ( BLR ), le Wimax et Wusb ( USB sans fil ).

Il existe aussi des procédés très performants de transfert de données par modulation du faisceau de lumière émis par un générateur d'ondes laser. Malheureusement, une de leur plus grande faiblesse consiste en une sensibilité très élevée aux perturbations atmosphériques, ce qui ne rend ces procédés réellement exploitables que dans certaines situations. Dans ce domaine, nous parlerons ci-dessous du Li-Fi en tant que technologie émergente.

Les technologies alternatives aux techniques de transmission par radio-fréquences.

Pour des applications industrielles, nous pouvons parfois rencontrer la technologie des réseaux de communication par courants porteurs en ligne CPL.

Pour d'autres domaines d'application, nous pouvons trouver les technologies de modulation d'ondes infrarouges et de modulation d'ondes ultrasoniques ( ces techniques sont couramment utilisées dans l'industrie comme méthodes de base employées dans un certain nombre de procédé de mesures, mais elles sont peu utilisées - voire pas du tout pour certaines d'entre elles - pour transférer des données ).

Vous pourrez également trouver des applications de transmission de données utilisant d'autres méthodes comme celle de la modulation d'ondes infrasonores par exemple, et beaucoup d'autres encore, mais qui ne concernent que des situations très spécifiques et très particulières. Dans la situation actuelle, ces solutions trop spécialisées ne sont pas ( encore ? ) utilisables pour un usage général massif.

Les technologies émergentes

L'une des technologies à suivre pourrait être la technologie LiFi pour laquelle le procédé de transmission consiste à moduler la lumière émises par des diodes LED en fonction des données. Son plus grand avantage est sa très large bande passante, qui permet d'utiliser de très nombreux canaux de communication avec une modulation à fréquence élevée, ce qui permet des transferts de données très rapide. Brièvement, quelques unes de ses caractéristiques présentent des performances beaucoup plus élevées que pour la technologie WiFi. Pour l'ensemble de ces raisons, ce procédé en pleine évolution sera peut-être utilisé massivement dans le futur pour effectuer des transferts de données entre systèmes automatisés.

Vous trouverez ici un condensé sur les technologies de réseau sans fil. Les auteurs y abordent les thèmes suivants :

• Les différents types de technologies sans fil.
• Les techniques de modulation des ondes radio les plus utilisées.
• Les standards ouverts ( open standards ) des réseaux IP sans fil.
• L'architecture d'un réseau IP sans fil point à multipoints.

• Le déploiement d'un réseau.
• L'accès et la gestion d'un réseau sans fil.
• Le contrôle d'admission.

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Il s'agit de la plus ancienne des techniques, couramment rencontrée dans des applications industrielles comme des sites sidérurgiques, la communication avec des ponts roulants, des sites d'exploitation éloignés les uns des autres …

Les modems radio actuels permettent d'utiliser les technologies réseaux les plus répandues dans l'industrie ( comme les réseaux Ethernet, les réseaux IP ou la plupart des bus de terrain par exemple ) en transmettant les données sur les ondes radio, tout en y incluant les données des protocoles utilisés.

Un jeune ingénieur automaticien présente un projet réalisé pour une entreprise industrielle lors de sa formation. Il relate la conception et la réalisation d'une interface de communication et de contrôle à l'aide de cette technologie. Ce projet très concret détaille comment commander un appareil à distance en utilisant un réseau public de distribution d'énergie électrique en utilisant ce procédé.

Vous y trouverez les informations techniques suivantes :

• Une brève introduction à la technologie des courants porteurs en ligne ( CPL ).
• La présentation et la conception électronique de l'émetteur accompagnée du schéma électrique de réalisation, et du programme du micro contrôleur utilisé.
• La description et le schéma électrique du récepteur accompagné du programme du micro contrôleur utilisé.

Ahmed CHEIKHROUHOU - Ingénieur automaticien.

CPL-France propose une présentation technique des courants porteurs en ligne en abordant la modulation du réseau électrique qui permet de transporter des données. Cette présentation définit brièvement les deux principaux domaines d'applications possibles :

• L'accès intérieur pour créer un réseau local de type intranet.
• L'accès extérieur pour pouvoir communiquer d'un bâtiment en utilisant les technologies des réseaux IP.

www.cpl-france.org

Cette technologie de transmission de donnée sans fil ( transmission hertzienne ) est de plus en plus utilisée dans les applications industrielles car elle offre une grande compatibilité avec des réseaux et des protocoles couramment utilisés dans l'industrie. Nous nous en servons pour faire communiquer des machines entre elles, pour collecter des données, pour faire communiquer des îlots de production entre eux ou avec la gestion de production ou encore avec les équipes de maintenance.

Quels avantages peut on en attendre ?

• Un gain de câblage et un enrichissement des données grâce à la connexion de terminaux mobiles ( pour les opérateurs de maintenance par exemple ).

Quels peuvent en être les inconvénients ?

• Un plus grande consommation d'énergie électrique et une technologie très sensible aux perturbations électromagnétiques ou aux perturbations de propagation des ondes.
• Une grande sensibilité au piratage ( intrusion, vol de données, virus informatiques ) qui peut se propager de réseau en réseau, phénomène amplifié par l'interconnexion des systèmes entre eux. À ce propos, on utilisera avec profit un logiciel d'analyse et de surveillance de réseau Wifi afin d'analyser les connexions et les échanges et de pouvoir détecter toute intrusion dans un réseau.

Cette technique de transmission met en œuvre plusieurs technologies qu'il faut bien appréhender pour les implanter dans un contexte industriel.

Les points les plus sensibles dans la mise en service d'un réseau Wifi en industrie sont à priori :

• La connaissance et la maîtrise de la propagation des ondes dans des sites qui sont souvent très contraignants, très perturbants et très perturbés.
• Les connaissances que l'on a sur l'utilisation attendue du réseau et du contexte dans lequel on le déploie ( afin de le concevoir et de le dimensionner correctement ).
• Les connaissances et les techniques mises en œuvre pour garantir la sécurité des communications.

Sur ce site exclusivement dédié aux technologies WiFi, vous pourrez télécharger la présentation de quelques uns des protocoles utilisés dans les réseaux IP et la réglementation française sur le WiFi.

• Vous y trouverez également plusieurs document sur le protocole d'authentification Radius et sur les différents protocoles qui lui sont associés ( EAP, PEAP ).
• Vous pourrez y télécharger des documents présentant le serveur d'authentification FreeRadius et comment l'utiliser.
• Vous y découvrirez enfin une liste de liens vers des outils logiciels dédiés à cette technologie ainsi que des liens vers le standard 802.11.

Aurélien Géron est l'auteur de « WIFI professionnel ( La norme 802.11, le déploiement, la sécurité ) », livre que nous recommandons fortement à tout automaticien, technicien ou ingénieur, pour approfondir ses connaissances sur les différentes implémentations de ce système ( Non, non, nous ne touchons aucun émolument ! Mais cet ouvrage très complet et très intéressant va au fond des choses, en particulier pour ce qui concerne la sécurité des échanges de données, sujet à propos duquel on ne parlera jamais trop et sur lequel on n'en connaîtra jamais assez ).

Par ailleurs, Aurélien propose également des documents très instructifs sur les protocoles Internet dans les réseaux IP, ainsi que sur les protocoles SSL et TLS au sein des réseaux Ethernet.

http://aureliengeron.free.fr/livrewifi/

Voici quelques outils logiciels libres destiné aux réseaux Wifi et à d'autres réseaux sans fil. Ces programmes pourront vous être d'une grande utilité dans la mise en œuvre et la sécurisation de vos réseaux. Ils vous permettront d'analyser, d'auditer et de superviser vos réseaux sans fil, tant du point de vue de la sécurité que de la qualité des connexions, de la propagation des ondes, et en vous proposant une synthèse sur l'état de vos réseaux.

Vous pourrez bénéficier de l'aide apportée par d'autres outils très utiles déjà cités par ailleurs, dont le logiciel Wireshark, qui vous permettra de détecter et d'analyser toutes les trames échangées sur un réseau Wifi, NTOPNG, un analyseur de trafic de réseau IP, et des logiciels de sécurité réseau.

Airtraf 1.0 est un « sniffeur » de réseau sans fil ( par ondes radio ) qui détecte et détermine exactement quelles données sont transmises sur un réseau WiFi 802.11. Il piste et identifie tous les points d'accès ( légitimes ou non ), fournit des statistiques sur les performances ( par utilisateur et par protocole ), il mesure la force du signal des différents composants du réseau et présente de nombreuses autres fonctionnalités. Ce logiciel est distribué en open source sous licence GPL et il a été développé pour s'exécuter sous le système d'exploitation Linux.

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Kismet est un logiciel qui sert à détecter les réseaux WiFi 802.11, à les « renifler », et à détecter les tentatives d'intrusion du système, y compris pour les réseaux cachés, et le tout de manière passive. Une interface logicielle complémentaire est disponible pour utiliser Kismet sur d'autres types de réseaux.

https://kismetwireless.net

Stumbler est un logiciel pour Windows qui permet de détecter tout réseaux Wifi aux normes 802.11 b, a et g. Il permet de contrôler la configuration d'un réseau Wifi, de détecter les lieux qui sont faiblement couvert par un réseau Wifi, de détecter un réseau qui en perturbe un autre, et de détecter des tentatives d'intrusion sur votre réseau.

www.stumbler.net

Wavemon est un logiciel de supervision de réseaux sans fil qui vous permet de connaître d'un seul coup d'œil les informations importantes sur l'état de votre réseau comme la configuration des équipements, les paramètres de gestion de l'alimentation et l'état de fonctionnement du réseau.

• Il vous permet d'apprécier visuellement la qualité de la liaison radio, l'amplitude du signal et le rapport signal/bruit.
• Il peut aussi afficher tous les points d'accès connectés.

Dans un but didactique, le tutoriel wavemon disponible sur www.raspberrypi-spy.co.uk vous montre comment visualiser les connexions WiFi avec Wavemon à partir d'un RaspberryPi.

https://github.com/uoaerg/

Bluetooth est un réseau sans fil à usage personnel et de faible portée - de 10 mètres à 100 mètres selon la classe de l'émetteur utilisé - qui utilise les fréquences radio. Son principal objectif est d'interconnecter des appareils numériques entre eux, tels que des périphériques, des ordinateurs ou des tablettes.

La Boucle Locale Radio est un support de communication mis en œuvre par un opérateur de téléphonie ( ou de télécommunication ) pour relier ses abonnés, ce qui permet aux opérateurs de passer outre à une infrastructure filaire.

Une des technologies réseaux exploitant ce système est la technologie WiMax. De fait, en France, la BLR est étroitement associée à la technologie WiMax, laquelle se met doucement en place au travers de quelques opérateurs.

Ce procédé de transmission permet d'émettre des données en modulant la lumière émise par des systèmes d'éclairage à diodes luminescentes LED.

Cette technologie optique vise à établir un réseau de transmission de données sans fil dans un bâtiment sans utiliser aucune technique de transmission par ondes radio mais - contrairement aux autres technologies disponibles - la transmission des données s'avère être unidirectionnelle et doit être directe, sans présenter aucun obstacle visuel sur le trajet lumineux.

Son débit pourrait être jusqu'à cent fois plus rapide que le débit des réseaux wifi ( lequel dépend de plusieurs paramètres, parmi lesquels figure le nombre d'utilisateurs connectés ) et peut atteindre une valeur de 1 gigabit par seconde, mais sa portée est pour l'instant limitée à 10 mètres.

Ses principales caractéristiques sont une consommation d'énergie peu élevée, une bande passante très large qui peut contenir une quantité presque infinie de canaux, des transmissions de données directes, une portée peu élevée quand elle est employée avec des systèmes d'éclairage à LED classiques ( quoiqu'un rayon laser puisse être utilisé, ce qui permet une portée d'environ 60 kilomètres ), insensibilité aux interférences électromagnétiques et une robustesse naturelle à l'intérieur des bâtiments vis à vis du piratage.

L'utilisateur étant dans l'obligation de se positionner directement dans le faisceau de lumière pour pouvoir en détecter la modulation, il s'agit pour l'instant - c'est à dire dans l'état des recherches actuelles - d'un réseau à usage personnel et limité quoique bien adapté à certaines situations.

Les transmissions de données par modulation des ondes lumineuses infrarouges contraignent les utilisateurs à se situer dans le champ de vision direct de l'onde. Par conséquent, ces réseaux sont d'une portée limitée.

Actuellement, nous pouvons rencontrer ces technologies dans des appareils numériques personnels ( smartphones, ordinateurs, télécommandes … ), mais aussi dans les véhicules et dans le monde médical ( car ce mode de transmission des données a la propriété de ne pas perturber les appareils médicaux ).

Les avancées techniques actuelles - 2013 - permettent d'obtenir des débits allant jusqu'à 250 mégaoctets par secondes ( ce qui représente un taux de 1 gigabits par seconde ).

Cette technique de transmission référencée en tant que standard 802.16 est un réseau sans fil utilisant les transmissions de données par modulation d'ondes radio, dont l'objectif est de fournir une connexion internet haut débit en couvrant une grande surface d'un territoire ( de l'ordre de plusieurs kilomètres carrés ), et donc quelques centaines ou quelques milliers d'abonnés. Les réseaux WiMax utilisent les technologies de boucle locale radio ( BLR ) et sont compatibles avec d'autres réseaux IP ou WiFi.

Ce système constitue la version de communication sans fil du standard USB. Il a été conçu pour faire communiquer des périphériques et des systèmes mobiles entre eux pour un faible coût et avec un faible encombrement, tout en offrant des performances honorables et tout en gardant les fonctionnalités du standard USB. Il est toutefois à noter que depuis l'avènement de l'USB 3.0, cette technologie semble en perte de vitesse. Le débit de données annoncé est à peu près de 480 Mbps pour une distance de 3 mètres, et de 110 Mbps pour une distance de 10 mètres.

Le réseau ZiggBee se présente comme la seule technologie de réseau de transmission sans fil conçue pour répondre aux besoins de capteurs et de réseaux sans fil économiques et de faible consommation. ZigBee utilise la transmission hertzienne pour communiquer

• www.bluetooth.org - Le consortium vous fournit toutes les spécifications, et vous propose des articles sur la sécurité des transactions, l'architecture et la topologie des réseaux bluetooth, ainsi qu'une liste de dossiers et d'articles techniques.

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• www.ctia.org - L'association pour la communication sans-fils est une organisation internationale représentant tous les secteurs de la communication sans-fils - cellulaire, des services de communication personnels, et des applications spécialisées radio-mobile. En tant qu'association à but non lucratif, elle représente les fournisseurs, les constructeurs, les sociétés Internet et de transmission sans-fils, et d'autres contributeurs au monde du sans-fils.

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• www.usb.org - Le forum USB est une organisation à but non lucratif fondée par l'ensemble des entreprises qui ont développé les spécifications du standard USB. Le forum USB promeut les technologies USB dans ses versions 1.0, 2.0, 3.0 plus WUSB, en fournissant les spécifications et un support.

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• www.wifi.org - L'alliance Wifi est un consortium d'industriels chargé de promouvoir la technologie WiFi, de faire évoluer les standards et de certifier la conformité aux spécifications des produits élaborés par les différents fournisseurs.

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• www.zigbee.org - L'alliance ZigBee est une association de sociétés travaillant ensemble pour permettre la réalisation de produits de contrôle et de supervision fiables, économiques, et de faible puissance ( voire auto alimentés ), communicant au travers de réseaux sans-fils, basés sur un standard global ouvert.