Le choix d'une solution de module sans fil devrait être facile. Dans un monde parfait, il suffirait de choisir celui qui a la plus grande portée. Ainsi, quelle que soit la distance entre vos appareils, ils seraient toujours en mesure de communiquer. Hélas, ce n'est pas si simple. Heureusement, il existe des solutions qui répondent à tous les cas d'utilisation, qu'il s'agisse de communications radio à longue portée, à courte portée ou entre les deux.
Demandez à n'importe quel expert de l'Internet des objets quel module radio est le meilleur et la réponse sera "ça dépend". C'est parce que chaque type de dispositif sans fil a ses propres forces et faiblesses. Ce qui est génial pour un projet peut être terrible pour un autre. Par exemple, un module qui utilise très peu de batterie peut également offrir une faible bande passante. C'est une solution parfaite pour un pèse-personne sans fil, mais tout à fait inadaptée à la diffusion de vidéos en direct depuis une salle de conférence, et vice versa.
Il en va de même pour la portée radio. Vous devez évaluer le cas d'utilisation et avoir une certaine compréhension de la façon dont les signaux radio se propagent en fonction de l'équipement et de l'environnement. Dans cet article, nous examinons tous les éléments à prendre en compte pour déterminer le meilleur choix en termes de gamme et de type de module pour les applications suivantes
votre projet.
Facteurs qui influent sur la portée des signaux sans fil
La portée est définie comme la distance maximale à laquelle la communication peut exister entre deux antennes dans un réseau sans fil. Mais la portée n'est pas seulement une question de distance. Voici quelques considérations importantes :
- Les obstacles, le terrain et la physique de la radio affectent tous la portée.
- Un autre facteur est la conception de l'antenne, avec des considérations comme les bandes de fréquences et l'impédance.
- Le bruit est un autre facteur important. Tout comme il est difficile d'entendre quelqu'un dans une fête bondée, il est difficile de capter un signal radio dans un environnement où il y a beaucoup de bruit radioélectrique.
Les considérations et les facteurs qui peuvent avoir une incidence sur la qualité de la communication entre les appareils de votre réseau sont au nombre de 10.
1. Débit
Sur le site IoT, il est souvent nécessaire de communiquer de petites quantités de données à partir de sites distants. Le débit de données a un impact significatif sur la portée. Lorsque le débit de données augmente, la portée d'une communication efficace entre les appareils peut diminuer. Cela s'explique par le fait que les débits de données élevés nécessitent un rapport signal/bruit plus important pour une démodulation réussie.
Si quelqu'un parle très vite dans une pièce bruyante, il est difficile de le comprendre. Si elle ralentit, elle est plus facile à comprendre. Les radios fonctionnent de la même manière. De nombreux dispositifs IoT n'envoient qu'une seule valeur de capteur par jour. Lorsque ces données sont envoyées à un faible débit binaire, elles peuvent être détectées à une distance beaucoup plus grande.
2. Puissance
Les signaux radio nécessitent beaucoup d'énergie car, contrairement aux messages circulant dans un fil, ils se dégradent de manière accélérée. Lorsque les signaux radio s'éloignent de leur source, ils s'étendent rapidement comme des vagues dans une piscine. Le son et la radio se désintègrent tous deux selon la loi de l'inverse du carré. Chaque fois que vous doublez la distance, vous avez besoin de quatre fois plus d'énergie. Par conséquent, parcourir de longues distances consomme beaucoup plus d'énergie que de courtes distances.
3. Bruit
Dans un réseau RF, le signal est l'information transmise entre les appareils. Le bruit est tout le reste. Le rapport signal/bruit (S/B) est une mesure qui compare les niveaux de puissance du signal aux niveaux de puissance du bruit. Il s'agit d'un facteur important pour déterminer la portée du système radio, car la portée consiste à distinguer de manière fiable le signal du bruit, et non la distance qu'un signal radio donné peut parcourir (qui est infinie). Le bruit radio fait partie de l'environnement naturel, qui comprend :
- Rayonnement de fond cosmique et interférences solaires
- Sources atmosphériques comme la foudre
- Les sources humaines telles que les lignes électriques, les moteurs, les éclairages fluorescents, les interrupteurs, les ordinateurs et les communications radio non liées.
4. Fréquence
Les signaux radio de basse fréquence peuvent facilement se diffracter autour des objets et être renvoyés par l'atmosphère, ce qui augmente la portée effective. Cependant, les basses fréquences ont une largeur de bande limitée, ce qui limite le débit. Les fréquences plus élevées offrent un débit beaucoup plus important, mais se diffractent difficilement autour des obstacles et ne sont pas réfléchies par l'atmosphère, ce qui limite leur portée.
5. Perte d'espace libre
Lorsqu'un signal radio se déplace dans l'espace, même dans le vide, son signal diminue car il diffuse son énergie sur une zone de plus en plus large. Cette diffusion suit la loi de l'inverse du carré, qui décrit la perte exponentielle de puissance sur la distance. Nous traitons la perte en espace libre à une fréquence donnée en réduisant la distance entre l'émetteur et le récepteur.
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6. Diffraction
Lorsqu'un signal radio rencontre un objet sur son chemin, il se disperse ou se diffracte, une partie de l'énergie se concentrant autour de l'objet, mais le reste étant dirigé à l'opposé du récepteur et donc perdu. Les arêtes vives diffractent mieux que les objets arrondis, qui ont tendance à absorber une plus grande partie du signal. La diffraction n'est qu'une des nombreuses raisons d'éviter les objets sur le trajet du signal.
7. Multipath
Dans des environnements idéaux comme l'espace, les signaux envoyés par un émetteur arrivent toujours directement, sans se refléter sur des surfaces ou des objets. Sur Terre, les choses sont inévitablement plus compliquées. Lorsque la ligne de visée est dégagée, certains signaux arrivent directement, mais d'autres rebondissent sur des objets ou des terrains proches, ce qui les déforme. Les protocoles et les systèmes radio sont généralement conçus pour traiter certaines interférences par trajets multiples. Le fait de placer les antennes en hauteur et à l'écart des obstacles contribue également à améliorer la situation.
8. Absorption
Les signaux radio peuvent parcourir une distance infinie dans l'espace vide ; cependant, lorsqu'ils rencontrent des objets, une partie de leur énergie est absorbée. Les signaux radio peuvent traverser les murs, mais ils sont alors atténués. L'humidité de l'air peut absorber suffisamment d'énergie radio pour perturber les signaux à haute fréquence. Les feuilles d'arbres et autres végétaux se trouvant sur le trajet du signal peuvent dissiper une partie suffisante du signal pour causer des problèmes à des fréquences plus basses.
9. Terrain
Les collines ou les montagnes peuvent absorber, diffracter, réfléchir ou empêcher complètement les signaux d'atteindre leur destination. La composition du sol lui-même peut avoir un effet sur les basses fréquences, les signaux voyageant mieux au-dessus des lacs, des océans ou des marécages que dans les zones sèches comme les déserts. La zone de Fresnel, qui a la forme d'un ballon de football entre les antennes, doit être aussi dégagée que possible du terrain et des obstacles afin d'optimiser les performances des communications.
10. Antennes et portée
Les antennes transforment les signaux électriques en ondes radio pour transmettre des informations par voie hertzienne. Pour les récepteurs, les ondes radio sont retransformées en variations électriques que les ordinateurs peuvent comprendre. Il est essentiel d'utiliser correctement les bonnes antennes. Un mauvais choix peut limiter la portée, gaspiller l'énergie de la batterie et transformer un système par ailleurs bien conçu en un cauchemar en matière d'assistance. Pour plus d'informations, consultez notre guide " Top 10 Antenna Design Considerations ".
Considérations relatives à l'alimentation et à l'autonomie de la batterie pour la portée de communication
Comme nous l'avons vu, la portée et la puissance sont intimement liées dans les communications sans fil. De nombreuses applications déploient aujourd'hui des milliers de dispositifs sans fil sur une vaste zone, et il est important de prendre en compte le temps et les frais de gestion des batteries. Voici un bref aperçu de ces facteurs.
Budgets de gestion de l'énergie
Une gestion attentive de l'alimentation de l'appareil peut prolonger la durée de vie de la batterie de quelques jours à plusieurs années. Un bon moyen d'économiser de l'énergie consiste à adapter la portée de la radio aux exigences de l'application. Le choix de protocoles à plus courte portée ou la limitation manuelle de la puissance de transmission pour réduire efficacement la portée augmentent la durée de vie de la batterie.
Certains protocoles peuvent limiter automatiquement la puissance de transmission grâce à une fonction de débit de données adaptatif qui limite dynamiquement l'appareil à la puissance de transmission fiable la plus faible. Cette fonction est particulièrement utile lorsque les appareils sont mobiles ou lorsque l'environnement radio change au fil du temps (changements saisonniers du feuillage, changements quotidiens de l'environnement sonore, etc.)
Modes de sommeil
Pour économiser l'énergie et prolonger la durée de vie de la batterie, les appareils IoT utilisent souvent des modes de veille lorsqu'ils ne sont pas nécessaires. Un module radio en veille ne reçoit généralement aucune transmission. Cependant, de nombreux cas d'utilisation de IoT exigent que les appareils sur le terrain transmettent et reçoivent.
Vous pouvez utiliser une méthode de stockage et de transfert si le réseau ou le protocole le permet. Dans certains protocoles, cela est possible grâce à des nœuds radio "parents" qui stockent temporairement les transmissions destinées à un appareil "enfant" endormi jusqu'à ce que l'enfant se réveille et les demande. Dans d'autres protocoles, un serveur de réseau central joue le rôle de parent et ne transmet les messages que lorsqu'il détecte le réveil d'un appareil distant. Avec une bonne gestion de l'énergie, les systèmes alimentés par des batteries ou par l'énergie solaire peuvent fonctionner pendant plusieurs années sans entretien.
Offres de Digi par gamme
Les modules radio Digi XBee® sont disponibles dans une variété de gammes, pour répondre à la diversité des applications et des environnements de IoT . Un facteur de forme physique commun, une interface partagée et des décennies de fiabilité font de la plate-forme Digi XBee le leader des réseaux sans fil, que votre projet doive communiquer dans une pièce ou dans le monde entier. Et la solution LoRaWAN® de Digi a élargi l'offre de Digi.
Jetons un coup d'œil rapide à chaque type de module ci-dessous. Pour des informations plus détaillées sur l'écosystème XBee, consultez notre page Guide d'achat de XBee. Pour en savoir plus sur le LoRaWAN de Digi, consultez notre article sur le Solution Digi LoRaWAN Device-to-Cloud.
Gamme courte
Les radios à courte portée réduisent au minimum la puissance, la taille, la chaleur et le coût. Elles constituent la solution idéale pour la surveillance de l'énergie dans les habitations, l'automatisation des bâtiments commerciaux ou la détection dans les serres à haute densité. Lorsque vous utilisez réseau mailléLes messages peuvent passer d'un module à l'autre pour arriver à destination, créant ainsi des réseaux bien plus étendus que la portée d'un dispositif radio individuel. Avec autant d'avantages, cette catégorie devrait être la première que vous envisagez lorsque vous évaluez les solutions pour votre application IoT .
Un module unique et minuscule qui prend en charge trois protocoles de réseau sans fil différents, ainsi que le BLE et la programmabilité embarquée. Avec une portée de 4 000 pieds en visibilité directe, il constitue une solution formidable pour la domotique, le contrôle industriel et la détection environnementale. Les communications à courte portée et la bande passante moyenne permettent une longue durée de vie de la batterie. Les options de maillage permettent de créer des réseaux d'une portée supérieure à celle des nœuds individuels, couvrant de grandes maisons ou de petites fermes en plein air.
Ces modules Wi-Fi intégrés apportent l'une des technologies de réseau sans fil les plus populaires à la plate-forme Digi XBee . Avec une portée Wi-Fi standard (300 pieds) et un débit élevé, ils interopèrent avec n'importe quelle station de base à proximité. Cela compense en partie les coûts supplémentaires du protocole Wi-Fi, plus gourmand en énergie, ainsi que la complexité supplémentaire du provisionnement. C'est une solution idéale pour ajouter un appareil à un réseau préexistant ; assurez-vous simplement que votre plan de provisionnement prévoit suffisamment de ressources pour gérer de multiples configurations d'authentification qui changeront au fil du temps.
Bluetooth Low Energy (Digi XBee 3 ligne)
Chaque module Digi XBee 3 intègre le BLE en plus du protocole principal sélectionné. Le BLE est courant sur les smartphones, c'est donc un moyen facile de configurer les modules, d'enregistrer les données des capteurs sans fil alimentés par batterie ou de créer des balises de localisation. Le BLE a généralement une portée assez courte (300 pieds ou moins), mais consomme très peu d'énergie, c'est donc un excellent protocole secondaire pour les solutions IoT .
Gamme moyenne
Les radios de milieu de gamme consomment plus d'énergie, dégagent plus de chaleur et coûtent généralement plus cher. Elles sont mieux employées pour les grandes distances ou lorsque les réseaux maillés doivent couvrir une zone plus étendue. Bon nombre de ces protocoles utilisent des fréquences inférieures au gigahertz qui sont exemptes de licence, mais diffèrent selon les régions, de sorte que vous devrez prêter davantage attention à la conformité. Les champs solaires, le contrôle de l'éclairage municipal et la surveillance à distance des équipements sont autant de cas d'utilisation de IoT pour les modules de moyenne portée.
La version plus puissante du plus petit module de Digi pour la mise en réseau sans fil, comprend le BLE et la programmabilité embarquée. Avec une portée de 2 miles, il est idéal pour l'automatisation des bâtiments, les contrôles à l'échelle de l'usine, les solutions de ville intelligente et la détection agricole à grande échelle. Ses transmissions à moyenne portée consomment plus de batterie que la version à puissance normale, mais vous pouvez atténuer ce problème en mettant en œuvre l'une des nombreuses options de mise en veille. Les réseaux peuvent inclure un mélange de modules à haute et à basse consommation pour optimiser la durée de vie de la batterie et les coûts.
Le module 900HP offre une grande portée (jusqu'à 28 miles avec une antenne à gain élevé) ainsi que des options de maillage pour mettre en réseau de nombreux nœuds coopératifs répartis sur une grande zone. Sa fréquence de 900 MHz limite son utilisation à l'Amérique du Nord et à une poignée d'autres pays, et sa meilleure portée se fait à un débit très faible, mais tant que ses caractéristiques correspondent aux besoins de votre application, il constitue une solution formidable.
Ces modules sont interopérables avec les anciennes radios 9XStream de Digi. Ils ont une grande portée (jusqu'à 28 miles en visibilité directe) à faible bande passante, tout en conservant l'empreinte standard des trous traversants XBee. Pour les nouvelles conceptions, il est recommandé d'utiliser le modèle Digi XBee-PRO 900HP, qui est plus récent et offre une plus grande souplesse de débit.
Longue portée
Lorsque vous devez couvrir de grandes distances, vous avez besoin de protocoles à longue portée. Sur le site IoT , nous avons généralement toujours besoin de fonctionner sur batterie. Il est donc courant d'offrir un débit réduit qui permet d'économiser de l'énergie tout en maintenant une longue portée de communication. Les projets de villes intelligentes, la surveillance des campus industriels, l'exploitation minière ou le forage à distance et les systèmes agricoles à grande échelle sont des applications typiques de ce type de radio. C'est particulièrement vrai lorsque les données à envoyer sont assez petites mais qu'elles doivent parcourir une longue distance.
Le XTend est disponible dans le format de montage en surface XBee et dans l'ancien format 9XTend. Les deux sont conçus pour être interopérables avec les anciennes radios 9XTend de Digi. Leur longue portée (40 miles en visibilité directe) est associée à des besoins en énergie assez importants, ce qui convient bien aux opérations minières et de forage, à la surveillance des machines lourdes ou aux stations météorologiques éloignées qui mettent en œuvre le sommeil pour maintenir les batteries rechargées à l'énergie solaire.
Ce sont les "modules musculaires" de l'écosystème Digi XBee , qui offrent une fiabilité et une redondance excellentes pour la construction de systèmes sans fil critiques à faible consommation d'énergie. Avec le maillage optionnel, ils peuvent créer des réseaux couvrant des zones extrêmement étendues (jusqu'à 65 miles en visibilité directe). Les besoins en énergie sont plus importants et le débit est limité sur de plus longues distances. Mais grâce à sa portée étendue, à sa capacité de blocage des interférences et à sa capacité à communiquer sous le seuil de bruit, le Digi XBee-PRO SX est une solution IoT exceptionnelle.
Le dernier ajout à la gamme Digi est un module LoRaWAN combiné à un kit de passerelle.
La solution Digi LoRaWAN offre des produits spécialisés pour les extrémités capteur et passerelle de la communication sans fil. La modulation sans fil LoRa est une technologie non linéaire capable de pénétrer les obstacles tels que les bâtiments, la végétation et/ou les zones à fortes interférences RF telles que les machines industrielles.
LoRaWAN est une norme mondiale qui fonctionne principalement à 900 MHz, 868 MHz et 400 MHz - en fonction des réglementations nationales - et qui utilise une configuration spécifique du schéma de modulation LoRa. Les capteurs LoRaWAN consomment très peu d'énergie et ont une portée en visibilité directe pouvant aller jusqu'à 100 kilomètres avec des communications bidirectionnelles. Les applications typiques sans visibilité directe ont une portée allant jusqu'à 20 km. Les passerelles sont des systèmes alimentés à haute performance qui connectent plusieurs appareils et sont gérées par une plateforme en nuage telle que Digi X-ON pour offrir une évolutivité massive.
LoRaWAN est optimisé pour les petites charges utiles et jusqu'à des milliers d'appareils par passerelle, et est configurable pour un fonctionnement sur batterie à faible consommation ou un fonctionnement alimenté à faible latence. Les solutions LoRaWAN sont idéales pour les infrastructures extérieures distribuées telles que les services publics, l'agriculture et les systèmes industriels. Le cloud Digi X-ON gère non seulement le système radio LoRaWAN, mais fournit également des fonctions automatisées de provisionnement et de déploiement pour les appareils et les passerelles.
Cellulaire - Gamme mixte et étendue
Il est toujours délicat de comparer la portée du cellulaire avec d'autres protocoles, car si la portée d'un module cellulaire individuel est résolument modeste, la couverture mondiale du réseau mobile signifie qu'un appareil placé presque n'importe où peut communiquer avec d'autres appareils dans le monde entier.
Les nouveaux protocoles sont plus respectueux de l'autonomie de la batterie et offrent de meilleurs moyens d'économiser l'énergie grâce aux modes veille. Les forfaits de données mobiles sont nécessaires, mais leur coût a fortement baissé pour répondre aux besoins en faible bande passante de IoT.
Les modules cellulaires sont parfaits pour les applications mobiles ou pour les sites fixes où il n'est pas pratique de construire sa propre infrastructure de réseau sans fil. Qu'il s'agisse de suivre des conteneurs d'expédition, de surveiller des distributeurs automatiques ou de compter des devises dans un guichet automatique, les modules cellulaires offrent une couverture mondiale pour un budget limité.
Ce module LTE de catégorie 1 certifié pour les appareils finaux offre une portée de 5 à 7 miles, une programmabilité embarquée, BLE et les interfaces familières de Digi XBee qui accélèrent la mise sur le marché de votre projet. Le débit de catégorie 1 n'est pas suffisant pour les médias tels que la vidéo, mais il est idéal pour les projets IoT où des quantités importantes de données doivent être transférées. Les plans de données pour la catégorie 1 sont peu coûteux et des technologies comme le SMS sont incluses, ce qui offre une grande souplesse de développement. Les modules sont disponibles en option avec des cartes SIM pré-activées, afin de réduire au maximum les frictions lors de la mise sur le marché des appareils.
Comme son frère de catégorie 1, ce module LTE-M/NB-IoT est certifié pour les appareils finaux, offre une portée de 5 à 7 miles, une programmabilité embarquée, BLE et des interfaces familières. Les protocoles LTE-M et NB-IoT ont été conçus pour prendre en charge les applications IoT à faible bande passante nécessitant une faible consommation d'énergie et un faible coût. Les plans de données pour les deux protocoles sont peu coûteux et les nouvelles options de mise en veille cellulaire peuvent aider les batteries des appareils à durer des mois ou plus. Des cartes SIM préinstallées sont disponibles en option, de sorte que les appareils IoT peuvent sortir de l'usine et se retrouver directement entre les mains de l'utilisateur, ce qui facilite le déploiement. Il s'agit de l'un des modules les plus avant-gardistes de la gamme de solutions IoT de Digi.
Solutions combinées : Courte portée + longue portée
Parfois, la meilleure solution consiste à combiner plusieurs types de connectivité différents. Par exemple, dans une application de détection environnementale à distance, il peut être préférable d'utiliser un réseau Zigbee ou DigiMesh à courte portée pour couvrir densément une zone relativement petite comme une plate-forme pétrolière, puis de renvoyer les données vers un centre de contrôle distant via une radio à longue portée, comme Digi XBee-PRO SX. Dans les endroits moins éloignés où le cellulaire est disponible, cela pourrait également être un excellent choix de liaison de retour. Le même réseau pourrait également mettre en œuvre la technologie BLE à très courte portée pour permettre la configuration directe des capteurs à partir d'un smartphone local. La combinaison de plusieurs protocoles pour que chacun puisse faire ce qu'il fait le mieux crée souvent la solution idéale pour IoT .
Ce tableau donne un aperçu des protocoles, des débits de données et de la consommation d'énergie.
Source : Behr Tech
Résumé
Nous avons abordé la question de la portée des communications sans fil et des nombreux facteurs qui l'influencent, en montrant pourquoi la réponse à la question de savoir jusqu'où un signal radio peut aller est "ça dépend". L'environnement, les matériaux de construction, le terrain, les réflexions, les conditions météorologiques, les antennes, la puissance de transmission, les protocoles, les fréquences et surtout le rapport signal/bruit sont autant de facteurs qui entrent en ligne de compte. Comment déterminer la meilleure solution ?
Tout d'abord, vous devez prendre en compte toutes les variables, notamment :
- Le cas d'utilisation prévu est-il intérieur ou extérieur ?
- L'application est-elle mobile ou fixe ?
- Quelle distance devez-vous parcourir ?
- Quelle est la taille et la fréquence des données que vous allez transmettre ?
- Y aura-t-il beaucoup de bruit de radio ?
- Les appareils seront-ils alimentés par des piles ou pourront-ils être branchés sur le secteur ?
- Combien de dispositifs ou de nœuds seront connectés entre eux ?
- Quel type de construction ou de topographie extérieure prévoyez-vous ?
- Dans quelles régions du monde les dispositifs seront-ils déployés ?
- Combien le système peut-il coûter tout en offrant le retour sur investissement nécessaire ?
Digi est là pour vous aider à tenir la distance, quelle que soit la portée radio dont vous avez besoin. Pour plus d'informations, nous vous recommandons de consulter cette vue d'ensemble des rôles des appareils IoT et notre guide de sélection d'une architecture.
Besoin d'une assistance pratique à la conception ? Les experts en conception sans fil de Digi peuvent créer des conceptions personnalisées pour résoudre les problèmes de communication les plus délicats.
L'équipe Digi peut vous aider à évaluer chacun de ces facteurs et à sélectionner la solution parfaite pour répondre aux exigences de votre projet et couvrir les plages nécessaires. Contactez-nous pour obtenir de l'aide dans votre prise de décision.