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version initiale 2002
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dernière mise à jour
22 janvier 2014
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CONCEPTION D'UN SYSTEME D'ACQUISITION DE DONNEES

cinquième partie (5/7) : interfaces radio et internet

les contraintes des liaisons radio recevoir ou non
le système Wi-Fi en pleine expansion
Bluetooth moins utilisé en instrumentation
TCP/IP la synthèse
une collection d'icônes pour visiter tout le site
En 2005 le problème de l'interfaçage d'un instrument ou d'un capteur avec un système informatique s'est enrichi de quelques nouvelles solutions qui intéressent vivement les industriels, ce sont les solutions radio à courte portée qui bénéficient du succès des téléphones sans fil de type GSM. En effet puisqu'il est avéré que l'on peut bâtir un réseau téléphonique sans câblage il parait logique d'exploiter la même idée pour construire un réseau industriel dont les limites seront un site industriel ou parfois une simple zone d'un tel site, c'est à dire une superficie de un à quelques hectares en règle général. En outre la généralisation de l'ADSL ou de ses équivalents, du moins dans les pays avancés, justifie le "tout IP".
les contraintes des liaisons radio
Les problèmes posés pour l'exploitation de systèmes radio en milieu industriel sont évidemment liés à la sécurité. D'une part il n'est pas forcément souhaitable que des personnes non habilitées puissent au moyen d'un récepteur disposer des informations techniques véhiculées sur le réseau sans fil, d'autre part, dès lors qu'il s'agit d'informations de type métrologique il est indispensable qu'elles parviennent à leurs destinataires sans perturbation. On va donc se trouver confronté à des exigences en apparence contradictoire en terme de fiabilité. En effet les fréquences utilisables sont définies par des accords internationaux et le CCITT, il en résulte que la plage de fréquences admise pour ce type de réseau est déjà fortement encombrée et que le risque d'interférences génantes provenant d'émissions proches n'est pas rare. En effet la première plage de fréquence retenue est celle autour de 2.4GHz qui est utilisée conjointement par les réseaux téléphoniques publics ou privés, certains instruments scientifiques ou médicaux de la famille scanners, les fours à micro-ondes et bien entendu les systèmes Bluetooth et Wi-Fi dont nous allons parler.

La seconde contrainte est liée à la puissance réduite des émetteurs qui en limite la portée à une centaine de mètres et parfois moins, d'autant que les obstacles sont parfois nombreux (bâtiment en béton armé formant cage de Faraday, par exemple).

Le troisième point résulte aussi de la faible longueur d'onde (12.5cm) : déplacer de quelques centimètres un récepteur va vraisemblablement le faire passer d'un emplacement de réception correcte à un emplacement de mauvaise réception et ce d'autant qu'on sera plus éloigné de l'émetteur. Ce qui n'est pas dramatique pour un simple téléphone portable (dont l'utilisateur lambda ne comprend d'ailleurs pas en règle générale pourquoi ça ne marche pas ici et pourquoi ça marche là) n'est en revanche plus acceptable dès lors que l'on fait de l'acquisition de données et l'avantage de suppression du câblage et donc de la fixité des dispositifs interconnectés se retourne et devient un inconvénient potentiel si le récepteur est susceptible d'être mobile (et donc déplacé malencontreusement).

le système Wi-Fi
Il s'agit d'un concept de réseau sans fil fonctionnant dans la bande de fréquences 2.4GHz-2.4835GHz avec un débit allant jusqu'à 11Mbps selon la norme IEEE 802.11b pour les plus courants et pour le Wi-Fi haut de gamme et beaucoup plus fiable selon la spécification 802.11a une plage de fréquences comprise entre 5.725GHz et 5.850GHz beaucoup moins encombrée (en terme d'interférence radio et micro-ondes) et autorisant des taux de transfert de 54 Mbps.

La spécification 802.11 définit le réseau sans fil physique, les dispositifs d'émission réception (MAC : media access control) et LLC (logical link control).

Nous renvoyons le lecteur réellement intéressé au site IEEE pour obtenir le détail de la spécification 802.11. Que faut-il retenir en pratique pour effectuer un choix éventuel de cette technologie? En premier lieu nous considérons les avantages, qui concernent essentiellement le fait que la transmission radio est sans fil, c'est à dire qu'on n'a pas besoin de réaliser de câblage ce qui, en milieu industriel, signifie économie notable à l'installation et suppression des problèmes ultérieurs dus au câblage (vieillissement du diélecrique et court-circuit, transmission de parasites liés à un autre dispositif câblé ultérieurement, etc.). On peut aussi noter la facilité éventuelle de déplacement des systèmes liés par radio tant côté émetteur que côté récepteur (avec les restrictions précisées ci-dessus). Enfin le nombre de récepteurs peut être augmenté très facilement en cas de besoin sans aucune modification de l'unité de production.

Le problème qui se pose alors si l'on opte pour la technologie Wi-Fi est de choisir l'option 802.11a, b ou la toute récente version g. La différence essentielle concerne la fréquence d'émission et c'est donc elle qui fera la décision. Si l'environnement est déjà très encombré avec de multiples dispositifs fonctionnant à 2.4GHz (en particulier relais GSM à proximité) il sera sans doute réaliste de choisir le mode 5GHz pour s'affranchir des parasites et interférences divers. On choisira aussi cette option si l'on a un gros trafic à transmettre puisque le mode 802.11a permet des débits supérieurs. Mais on notera qu'entre le débit maximum théorique et ce qu'on pourra obtenir dans un contexte réel il y aura un écart important et qu'au lieu de tabler sur 54Mbps il vaut mieux restreindre ses ambitions et prévoir 5 ou 6 Mbps en se rappelant que plus la distance entre émetteur et récepteur est importante et plus la vitesse réelle de transmission sera réduite. Notons encore qu'à la fréquence de 5GHz les phénomènes de réflexion des ondes sur les surfaces métalliques ainsi que leur absorption par le béton sont importants et que la distance maxi de transmission s'en ressent. On se limitera à 300m en milieu extérieur et une centaine de mètres en intérieur si l'on ne souhaite pas une transmission maximale. A 54Mbps on peut difficilement prétendre dépasser 30m en extérieur et 18m en intérieur.


multiport 801.11b pour PC portable

Si les distances à parcourir sont supérieures et si les interférences avec d'autres dispositifs ne sont pas critiques, on se contentera du standard 802.11b à 2.4GHz qui théoriquement permet des débits de 11Mbps, soit en pratique plutôt 1Mbps (à comparer avec la "réalité" des lignes ADSL) ce qui permettra en revanche des trajets allongés d'environ 500m en extérieur et 150m en intérieur plus réalistes avec les contraintes industrielles. Notons que l'on peut parfois exploiter des dispositifs relais pour retransmettre l'information un peu plus loin si le besoin s'en fait sentir. Notons que dès lors que l'on a des obstacles à franchir, tels des murs, le signal à 2.4GHz passe beaucoup mieux et est moins sujet à des fluctuations aléatoires (ou qui en ont l'apparence) que les signaux à 5GHz.

Précisons enfin que les dispositifs conformes à la norme 802.11g sont censés avoir des débits élevés (environ 54Mbps) tout en fonctionnant à 2.4GHz, mais ils sont encore très rares sur le marché (Texas Instruments). Ils sont compatibles avec les circuits 802.11b, mais non avec les 802.11a qui utilisent non seulement une fréquence différente mais aussi un codage des signaux transmis différent. On se souviendra cependant que dans ce type de réseau l'émetteur et le récepteur ne peuvent se comprendre que s'ils parlent le même langage et ont des capacités de vitesse d'émission-réception comparables et c'est toujours le plus lent qui impose la vitesse de transmission. Certains dispositifs récents sont doubles et donc compatibles avec les deux standards.

Si l'on souhaite, ce qui est généralement le cas, relier le réseau Wi-Fi à un réseau câblé il faudra installer sur ce dernier, en général au niveau d'un routeur, ce qu'on va appeller un point d'accès (donc le plus souvent une carte supplémentaire qui ralentira légèrement ledit routeur!).


point d'accès Wi-Fi

Bien entendu si l'on ne souhaite pas qu'une personne non autorisée ait accès aux données véhiculées par radio il sera indispensable de coder celles-ci. La plupart des systèmes commercialisés sont dotés de cette possibilité, mais attention il faut que tous les éléments reliés par ce réseau utilisent la même clé de chiffrement sinon ils ne peuvent se comprendre. Deux procédés sont exploités conjointement pour ce faire : l'un est plutôt hardware (WEP : wireless equivalent privacy) et exploite une clé de chiffrement unique pour tous les dispositifs reliés, l'autre (WPA Wi-Fi protected access) qui vient se rajouter depuis peu est plus logiciel et est basé sur un mot de passe différent pour chaque utilisateur lequel déclenche le processus de chiffrement/déchiffrement et rajoute donc un élément de sécurité supplémentaire (un hacker devra donc pour accéder au réseau non seulement avoir découvert la clé de chiffrement qui est de 64 et même parfois 128 bits, mais en outre connaitre le mot de passe d'un utilisateur autorisé du réseau ce qui sans être imparable est souvent suffisant pour limiter les intrusions non désirées).

Combien ça coûte?
En début 2008 on trouvait des cartes Wi-Fi pour PC soit à la norme PCI pour le PC de bureau soit au standard PCMCIA pour moins de 30€. Les systèmes sur port USB sont plus fréquemment des systèmes radio au standard Bluetooth, parfois moins chers mais souvent moins adaptés au monde industriel (dans un contexte de système instrumental). C'est cependant une solution concurrente des modules Wi-Fi dont nous parlons ci-dessous. Notons que plusieurs concepteurs de cartes-mères, tel ASUS, intègrent dorénavant directement la Wi-Fi sur la carte-mère du PC.

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système Wi-Fi sur port USB et PC-card sur bus PCI

bluetooth
L'autre solution radio passe par la technologie Bluetooth qui elle aussi fonctionne dans la plage 2.4GHz et dispose de deux options, l'une avec une portée de 10m environ et l'autre de 100m. Notons qu'en France la plage précise de fréquence réservée à la portée de 100m est attribuée aux militaires (qui ne s'en sont jamais servie et n'auront jamais l'occasion de s'en servir puisque le CCITT a défini cette plage comme "civile") et jusqu'à nouvel ordre ne peut toujours pas être utilisée officiellement, cependant les cartes Bluetooth de portée 100m sont disponibles chez tous les grands distributeurs. La technologie Bluetooth malgré sa simplicité et son faible coût ne peut donc théoriquement être exploitée intégralement et tout particulièrement en milieu industriel ou le mode faible portée est notoirement insuffisant dans nombre de cas. Nous donnons dans le chapitre sur les techniques de transmission les informations utiles sur ce procédé et nous convions le lecteur à s'y reporter.

TCP/IP
La solution la plus élaborée consisterait à associer chaque capteur à une interface radio laquelle serait reliée à un point d'accès lié au réseau intranet de l'entreprise qui lui même, via un routeur, serait relié à Internet. Cela n'a de sens que si le protocole de communication utilisé dans l'ensemble du réseau est celui d'Internet, c'est à dire TCP/IP. Nous présentons dans le module concernant les procédés de transmission l'essentiel des caractéristiques techniques du protocole TCP/IP (transmission du signal), aussi nous conseillons au lecteur intéressé de s'y reporter après avoir cependant lu ce qui suit et qui est spécifique de l'utilisation industrielle d'Internet.

Les principales limitations à l'usage du protocole TCP/IP et d'un réseau connecté à Internet en milieu industriel pour gérer des procédés de fabrication étaient de deux ordres : d'une part, un souci de sécurité et, d'autre part, un problème de disponibilité d'adresse. Depuis la fin 2003 ces deux problèmes sont en passe d'être résolus et plus rien ne justifie la frilosité des industriels à rationnaliser leurs entreprises en utilisant un unique réseau pour l'ensemble des tâches.

En effet l'objection liée à l'insécurité du réseau Internet est levée depuis l'introduction de la spécification IPsec (pour sécurisé) développée par l'IEEE et finalisée en fin 2002. L'objection liée au manque d'adresses est aussi dorénavant éliminée. Rappelons le problème, en 1970 aux débuts de l'Internet qui était, rappelons le, alors uniquement un réseau militaire US et universitaire international il fut décidé que chaque poste connectable à ce réseau devrait posséder une adresse individuelle ce qui se traduisit par un double système. D'une part, la carte ethernet permettant d'accéder au réseau possède une adresse figée dans le silicium unique et inamovible et simultanément le poste informatique se voit attribuer par l'organisation internationale (relayée éventuellement par un organisme national et local) une adresse logique. Dans le protocole dénommé IPv4 de 1970 ces adresses logiques étaient codées sur le modèle suivant aaa.aaa.aaa.aaa où aaa (en décimal) est un octet quelconque. Les trois premiers a définissent généralement une zone (ou un pays), les suivants une zone dans cette zone et ainsi de suite jusqu'à l'utilisateur final. En 1970 ces quatre milliards d'adresses possibles pour à peu près autant d'habitants sur la planète semblaient gigantesques et même démesurées pour certains spécialistes. Mais deux éléments ont très vite tempéré cet optimiste : le premier c'est que les américains, initiateurs de l'idée (mais non de sa réalisation pratique qui est due à des chercheurs européens du CERN), se sont réservés (impérialisme oblige!) la part du lion en s'octroyant d'office et sans la moindre concertation la moitié des adresses. C'est ainsi que le MIT (Massachussets Institute of Technology) disposait alors de un million d'adresses pour seulement quelques milliers de chercheurs! A contrario, évidemment, une université africaine ayant 25000 étudiants se verra royalement attribuer ...16 adresses et donc jamais plus de 16 personnes de cette université ne pourront simultanément se connecter sur internet. Précisons que cela ne signifie pas qu'il n'y aura que 16 machines disposant d'une carte ethernet, mais que le responsable du réseau de l'université devra mettre en place un système d'attribution temporaire des adresses au niveau de son routeur et qu'une personne désirant se connecter ne sera jamais sûre de ne pas être la dix septième. Les conséquences en sont dramatiques car il est de ce fait très difficile d'utiliser ne serait-ce que le mail dans une telle université (même si vous avez une adresse mail l'absence de connexion physique est rédhibitoire et en outre le fait de ne pas pouvoir se connecter régulièrement induit des saturations de mailbox par les multiples courriers non désirés qui remplissent chaque jour nos boites aux lettres). La compagnie américaine Ford disposait, elle, de 16 millions d'adresses soit autant que l'ensemble de la Chine. Il est inutile de faire le moindre commentaire.

Cela signifie aussi qu'une PME française qui aurait voulu interfacer tout son réseau de 250 capteurs intelligents avec Internet pour bénéficier, par exemple, des possibilités de mise à jour automatique des caractéristiques et logiciels associés de ces capteurs par son fournisseur australien, ne pouvait espérer obtenir 250 adresses différentes pour ce faire (bien qu'elle possède 250 cartes éthernet associées à ces 250 capteurs!). Une compagnie américaine aurait sans doute eu plus de chance!

L'organisation gérant Internet a donc réagi à ce problème inique en développant un protocole amélioré qui porte le nom d'IPv6 (pour version 6 évidemment) qui parmi diverses améliorations propose dorénavant de coder les adresses sur 128 bits (soit huit double octets séparés par deux points pour l'aspect pratique, par exemple 2056:09:AF:71:5:658:30C:A00) ce qui multiplie de manière très importante les possibilités et devrait résoudre le problème de la pénurie d'adresses pour un certain nombre d'années. Précisons que les 48 premiers bits définissent la région, les 16 bits suivants le site et les 64 derniers correspondent aux adresses locales. Ainsi un campus universitaire aura dorénavant largement de quoi doter chaque étudiant d'une adresse personnelle correspondant à un matériel personnel quelle que soit sa position géographique. Bien évidemment cette nouvelle technique implique des conséquences au niveau des paquets de données qui vont voir leur longueur s'accroitre considérablement puisque dans un paquet on spécifie l'adresse de départ et celle d'arrivée dans l'entête, ce qui pour l'utilisateur lambda d'Internet va se traduire par un ralentissement apparent des transactions.

Il est donc aujourd'hui possible d'associer à chaque instrument ou capteur d'une unité de production une adresse Internet et donc de l'interfacer au réseau de manière plus sécurisée via IPsec. L'intérèt est multiple. Outre la possibilité de téléchargement transparente de mise à jour depuis le site du fournisseur, déjà signalée, on notera la facilité de transmission de données vers divers interlocuteurs non nécessairement basés sur le site industriel. Ainsi la facilité d'interrogation à distance va pouvoir faciliter la maintenance (ou la télé-maintenance) et le diagnostic de pannes ou de dysfonctionnements par un technicien basé sur un autre site industriel et qui n'aura ainsi pas systématiquement besoin de se déplacer pour effectuer un dépannage mineur, susceptible d'être réalisé localement par un simple opérateur, pour peu que le spécialiste puisse lui indiquer les opérations élémentaires à effectuer. Inversement constatons en 2014 que les pirates sont de plus en plus actifs sur internet et que certains sont spécialisés dans les attaques contre certaines entreprises (au profit d'un concurrent évidemment)..

pour plus d'informations sur les protocoles TCP/IP consulter le chapitre concernant les techniques de transmission du signal.