Electronique Mag - Le journal de l'électronique.
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L’Internet des objets (IdO) industriel nécessite
des réseaux de capteurs sans fil (wireless sensor
networks ou WSN) industriels avec des
caractéristiques de fiabilité et de sécurité les
plus strictes.1 Pour pouvoir fonctionner de
manière fiable sans nécessiter d’intervention pendant
plus de dix ans, les WSN industriels doivent être en
mesure de supporter des conditions environnementales
changeant brutalement au cours du temps. De plus, ils
doivent être évolutifs et souples, pour faire face à une
demande et à une circulation de données croissantes sur
une longue période de temps.
Les réseaux maillés sans fil SmartMesh® de Linear
Technology, conçus et rigoureusement testés pour les
applications de l’IdO, sont capables d’assurer une fiabilité
de données > 99,999% dans les environnements les
plus difficiles. Pour tout nouvel ordre de fabrication de
logiciel SmartMesh, Linear Technology accumule au
préalable plus d’un million d’heures-noeuds de fonctionnement
du réseau avec un minimum de cinq neufs
(>99.999%) de fiabilité de données avant de le déclarer
d’une qualité suffisante pour la production.
Cet article se focalise sur les méthodes utilisées par
Linear Technology pour vérifier la fiabilité de données en
mettant en oeuvre la qualification du matériel radio, une
méthodologie de test de réseau automatique et un processus
de test systématique de réseau. Les statistiques
de performance d’un réseau de production "live" sont
aussi examinées. Le thème de la sécurité de réseau est
couvert, lui, dans un autre article.2
Les performances d’un WSN reposent à la fois sur du
matériel radio qui le constitue et du protocole utilisé sur
cette puce. Les composants radio SmartMesh, comme
le LTC5800 de Linear Technology,
subissent un processus de test rigoureux
pour confirmer leurs caractéristiques de fonctionnement.
Les résultats de ces tests sont évalués sur de
multiples lots de production avant la publication des
fiches techniques comportant toutes les caractéristiques
du matériel. En cohérence avec la spécialisation de
Linear Technology dans le secteur industriel, la qualification
de la conception du matériel comprend un processus
de test de réseau en fonctionnement désigné
sous le nom d’essais de détermination accélérée de la
durée de vie (highly accelerated lifetime tests (HALT)),
mettant en oeuvre un réseau live en fonctionnement,
dont le matériel est soumis à des conditions extrêmes :
contraintes thermiques par palier à basse température,
contraintes thermiques par palier à haute température,
application de tension limite, transitions thermiques rapides,
contraintes de vibrations par palier, association de
contraintes thermiques et de vibrations, et essais complets
en température3 (voir figure 1).
Pour pouvoir garantir le niveau de fiabilité au cours du
fonctionnement, un processus de test doit couvrir toutes
les situations dans lesquelles un réseau peut se trouver pendant de nombreuses années de service. Linear
Technology fait appel largement à l’automatisation de
test pour faciliter la mise en oeuvre de centaines de tests
de réseaux, chacun vérifiant un ensemble précis de
conditions de test. Pour cela, un banc de test de réseau
(voir figure 2) constitué de batteries de centaines de
noeuds sans fil peut être configuré rapidement comme
n’importe quel réseau de test, petit ou grand. Un serveur
de test centralisé peut vite programmer la mise en service
des réseaux colocalisés entiers, l’exécution de plusieurs
tests de système et la remise en service des
noeuds pour le groupe de tests suivant par l’intermédiaire
de l’interface de programmation d’application
(API) de chaque noeud sans fil. L’automatisation rend
les tests de régression complets plus pratiques, garantissant
que les fonctions et les comportements existants
sont préservés dans les versions futures du logiciel.
Le banc de test est un environnement RF dense et
bruyant, car chaque réseau subissant un test est
immergé dans un océan de trafic sans fil en provenance
des autres réseaux fonctionnant au même moment. Ce
trafic de réseau, ainsi que les routeurs Wi-Fi, le Bluetooth
et la téléphonie mobile, génèrent un bruit de fond RF
d’un niveau élevé représentatif d’un environnement RF
extrêmement difficile.
La fiabilité de centaines de topologies de réseaux est vérifiée à l’aide du banc de test. Le réseau suivant (tableau 1), par exemple, a été mis en oeuvre pour effectuer le test de performance d’un réseau à 100 noeuds et à quatre sauts classiques. Chaque noeud générait 2 paquets de données par minute et le réseau a fonctionné pendant un minimum de 500 heures (sur 21 jours). L’environnement simule une installation commerciale ou industrielle légère classique, avec présence d’équipement électronique, de structures métalliques et de personnes se déplaçant dans tout le bâtiment. Malgré les pertes dues à l’environnement RF, le réseau, a pu atteindre une fiabilité de données supérieure à 99,999% au cours de l’envoi de plus de 43 millions de paquets de données, en multipliant les relances de paquets et en utilisant la diversité de chemin et de canaux.
Le banc de test de réseau vérifie indépendamment les
paramètres de fiabilité intégrés du logiciel de mise en
réseau SmartMesh en comptant les paquets injectés
dans le port API de chaque noeud et reçus avec succès
au niveau de l’API du noeud de passerelle. Ces statistiques
intégrées sont mises à la disposition de l’utilisateur
par l’intermédiaire d’une interface API du logiciel au
niveau du noeud de passerelle et permettent aux développeurs
et aux utilisateurs d’estimer la fiabilité de
SmartMesh dans leurs propres applications au cours de
l’évaluation initiale et pendant toute la durée de vie du
réseau.
Pour atteindre une fiabilité de données >99,999%, les
ingénieurs de Linear Technology éliminent toutes les
erreurs de transmission de paquet se produisant pendant
le test du système, indépendamment de leur fréquence
d’apparition. Pour détecter et saisir de telles
erreurs quand elles se produisent, chaque port API de
noeud, chaque port CLI et chaque port de programmation
de flash SPI sont connectés au banc de test de
réseau, ce qui permet à un ingénieur Linear Technology
de surveiller chaque noeud et d’effectuer le débogage
de bas niveau du logiciel alors que le message se propage
dans le réseau maillé.
Par ailleurs, le banc de test de réseau est équipé d’instruments permettant de collecter des paramètres de performance, dont la consommation moyenne de chaque noeud, le débit de données et le délai de transit du réseau (le temps qu’il faut à un message pour parcourir le réseau). Le banc de test de réseau injecte des données de capteurs en provenance de tous les noeuds sans fil dans le réseau pour mesurer le délai de transit et pour caractériser la capacité du noeud de passerelle à gérer le trafic. Ces tests sont répétés pour des configurations de réseau optionnelles, telles qu’en mode faible délai de transit ou avec un trafic de réseau bidirectionnel plus important. Enfin, le banc de test de réseau simplifie le processus d’essai sous contraintes permettant de vérifier la capacité du réseau à supporter les conditions problématiques. Ces tests introduisent systématiquement de l’activité au niveau des différents noeuds du réseau subissant le test, dont la désactivation de noeud pour vérifier que les noeuds voisins restants ne perdent jamais de paquet. D’autres tests sous contraintes mettent en oeuvre des pannes de noeuds généralisées pour mettre à l’épreuve la capacité du noeud de passerelle à rediriger le trafic et à consolider le réseau lorsque de vastes sections de réseau sont altérées. La surveillance et la commande de systèmes essentiels à l’activité de l’entreprise étant généralement confiées à un WSN industriel, un tel processus de test permet de vérifier que ce dernier est prêt à parer à toute éventualité.
Un SmartMesh IP™ a été déployé à l’usine de fabrication (fab) de composant à semiconducteurs de Linear Technology dans la Silicon Valley, pour surveiller la pression des centaines de bouteilles de gaz spéciaux utilisés lors des diverses étapes de gravure et de nettoyage de la fabrication des composants à semiconducteurs. Auparavant, la pression de chaque bouteille était vérifiée manuellement trois fois par jour, ce qui représentait un total de 4 heures d’intervention manuelle par jour. Un réseau SmartMesh IP a été déployé pour automatiser les mesures et envoyer les valeurs lues directement au logiciel du centre de commande de l’usine.
Dans l’abri où sont stockés les gaz, trente-deux noeuds sans fil ont été déployés pour mesurer la pression totale et la pression de distribution de chaque bouteille. Chaque noeud sans fil est connecté à une paire de bouteilles, et transmet un total de 4 paquets de données toutes les 30 secondes. Les conditions RF de la fab sont caractéristiques d’un environnement industriel, les noeuds sans fil étant entourés de métal, de béton et d’équipes de travail et de matériel qui se déplacent tout au long de la journée. Le réseau fonctionnant en continu depuis 83 jours, a envoyé plus de 26 millions de paquets de données et a démontré une fiabilité supérieure à sept neufs (>99,99999%).
Les réseaux de capteurs sans fil utilisés pour les applications de l’Internet des objets doivent atteindre la barre la plus haute en termes de fiabilité sur une longue durée de vie. Pour que les réseaux répondent à ces exigences strictes, le matériel et le logiciel d’un système doivent dès le départ être conçus dans le but de démontrer des performances industrielles, et testés rigoureusement au niveau des composants, des interfaces et du réseau complet, et les réseaux doivent fonctionner sous contraintes pour confirmer que les paramètres de fiabilité au cours de la durée de vie seront satisfaisants. Les réseaux SmartMesh de Linear Technology démontrent une fiabilité de données >99,999% lors de tests de bout en bout rigoureux et sur le terrain. Plus de 50 000 réseaux SmartMesh ont été déployés dans le monde entier pour des applications exigeantes telles que des centres de données, des usines, des installations d’alimentation électrique, la sécurité le long d’une clôture, la surveillance de l’environnement en extérieur, des applications agricoles, les mines et les tunnels et des procédés industriels.
1 Wireless Sensor Networking for the Industrial Internet of Things. J. Weiss, R. Yu. http://www.linear.com/docs/47177
2 "Getting Security Right in Industrial Wireless Sensor Networks," K. Pister, J. Simon. http://www.linear.com/docs/44216
3 Les clients de Linear Technology peuvent obtenir, sur demande, les rapports de vérification de matériel.
4 En savoir plus sur les applications SmartMesh sur http://www.linear.com/ dust_applications
