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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

Processus de test de qualification de matériel radio

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).

Méthodologie de test de réseau automatique

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.

Processus de test systématique de réseaux

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 réseau de production à l’usine de fabrication de composant à semiconducteurs de Linear Technology

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%).

Conclusion

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.

Notes annexes :

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