Échecs de conception sans fil

Avec le potentiel de réaliser des économies d'énergie et de coûts opérationnels dans presque tous les aspects de la fabrication, y compris le transport et le stockage, l'IIoT industriel de l'Internet des objets devrait connaître une croissance exponentielle. La connectivité sans fil peut accélérer l'adoption de l'IIoT en raison de sa facilité d'installation, d'application et de reconfiguration. Cependant, les arguments contre l'utilisation du sans fil dans les applications IIoT se sont concentrés sur sa fiabilité, basée principalement sur des expériences utilisateur négatives. Tout, des claviers sans fil aux agrégateurs de données, souffre de limitations de portée, un seul mur de ciment étant parfois le tueur de portée ultime ! La fiabilité et la sécurité sont essentielles pour les communications sans fil dans les installations industrielles où la panne n'est pas une option.

Heureusement, la fiabilité des communications sans fil s'est considérablement améliorée ces derniers temps. Des avancées significatives dans l'architecture du réseau et les performances RF ont entraîné le déploiement d'innombrables appareils qui utilisent une communication sans fil à courte portée dans des environnements industriels difficiles, comme le pétrole et le gaz et les compteurs d'électricité intelligents. Cependant, à mesure qu'elles mûrissent, il est facile de supposer à tort que toutes les technologies sans fil fonctionnent bien. Bien qu'il soit de plus en plus facile de construire des prototypes de produits qui communiquent sans fil, les mauvaises performances peuvent généralement être attribuées à un manque d'expertise et de connaissances de la part du concepteur. Les défaillances peuvent être évitées en suivant dès le départ des directives de conception simples. En termes simples, la connexion sans fil ne fonctionnera pas sans une conception RF appropriée. Il est presque impossible de traiter toutes les raisons possibles pour lesquelles une conception RF pourrait ne pas fonctionner, mais en examinant les erreurs courantes commises précédemment, celles-ci peuvent au moins être évitées.

La pièce la plus critique d'un système RF est peut-être l'antenne - la pièce de métal qui propulse le rayonnement électromagnétique dans l'air. Pour qu'un produit RF fonctionne aussi bien que possible, l'antenne doit être dimensionnée pour correspondre à la fréquence des signaux RF qu'elle transmet/reçoit et être située là où elle peut rayonner librement et sans obstruction. Un module RF avec une antenne intégrée doit être situé au bord du circuit imprimé porteur avec une découpe de mise à la terre. Les directives suivantes s'appliquent à l'antenne :

Les circuits RF sont sensibles aux bruits électriques et magnétiques. Le bruit électrique peut contenir des harmoniques à haute fréquence, désensibilisant le récepteur RF, ou peut être modulé et transmis par l'émetteur RF, entraînant des émissions hors bande. Un circuit RF doit être situé loin d'un système doté d'un processeur et d'un bus mémoire à grande vitesse, car les harmoniques produites par des signaux d'horloge rapides pourraient également désensibiliser le récepteur RF. Les circuits RF ne doivent pas non plus être placés à proximité de composants de commutation tels que des triacs, des alimentations à découpage ou des circuits de commande de moteurs électriques. Les transitoires produits par la commutation de tension peuvent être transmis sous forme d'impulsions par la radio, désensibilisant le récepteur RF.

Les dispositifs RF passent généralement d'un état de très faible puissance, où la consommation de courant est de l'ordre de microampères, à un état actif, où la consommation de courant typique est de l'ordre de plusieurs milliampères. Si l'alimentation (batterie) alimentant l'appareil RF n'est pas correctement choisie, des changements brusques de la consommation de courant peuvent entraîner des chutes de tension, ce qui peut déclencher la réinitialisation d'un appareil RF et, par conséquent, ne pas transmettre correctement. Si un circuit RF n'est pas correctement découplé et que le niveau de tension d'alimentation est proche du seuil de réinitialisation, le circuit RF peut être réinitialisé par des chutes de tension pendant les transmissions sans fil.

Voici quelques exemples concrets des erreurs ci-dessus :

Antenne RF située à proximité du bruit — Une passerelle avec un processeur à grande vitesse a été implémentée à l'aide de deux PCB - un pour le PCB du CPU et l'autre avec une antenne intégrée située à côté d'un bus mémoire. La portée du produit résultant n'était que d'environ 2 mètres. Lors de la refonte, l'antenne a été éloignée du bus mémoire et le plus loin possible du PCB CPU (compte tenu des contraintes de l'enceinte), et la portée du produit s'est améliorée à plus de 30 mètres.

Bruit excessif — La portée d'un gradateur de lumière qui utilisait un Triac était supérieure à 30 mètres lorsque la lumière était complètement éteinte ou complètement allumée, mais lorsque le Triac était utilisé pour atténuer la lumière, la portée était réduite à moins de 10 mètres ( à cause du bruit du Triac). Des produits de gradation similaires d'autres fournisseurs avec une mise en œuvre différente de la même technologie n'ont subi aucune dégradation de la portée, quel que soit l'état du gradateur.

Position d'antenne sous-optimale, y compris — Un moteur de drapé où l'antenne filaire était située à l'intérieur de l'enceinte métallique ; un thermostat dont l'antenne était située derrière un écran ; ou un téléviseur où le module RF était situé derrière l'écran.

Alimentation stable — Un interrupteur mural alimenté par des piles boutons fonctionnait correctement lorsque moins de cinq appareils étaient connectés au réseau. Si plus de cinq appareils étaient ajoutés, la quantité de courant consommé provoquait une baisse de tension qui provoquait la réinitialisation du commutateur.

La portée et la fiabilité des communications sans fil se sont améliorées à tel point qu'il s'agit désormais d'une solution de connectivité viable pour les appareils IIoT. Cependant, une bonne technologie peut facilement être annulée par des erreurs de conception de base. Dans cet article, nous avons montré quelques exemples où des erreurs de conception de base ont entraîné de mauvaises performances du produit et fourni des directives pour aider les concepteurs à éviter de répéter ces erreurs.

L'auteur, Olfert Paulsen, détient le titre d'architecte de système sans fil chez Silicon Labs.

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