Les protocoles de communication filaire

Les protocoles de communication filaire

Historique des protocoles de communication

Au début du XXe siècle, les systèmes de contrôle et processus de fabrication étaient basés sur la technologie mécanique et l’utilisation des appareils analogiques [23]. Après cette période, la technologie de commande pneumatique et la puissance hydraulique ont été introduites. Ces technologies encore utilisées aujourd’hui ne permettaient pas de contrôler les systèmes distants [24]. Dès leur apparition, les automates programmables industriels ( en anglais «Programmable Logical Controler» PLC) ont remplacé les dispositifs de commande classiques, de type relais qui ont des fonctions de contrôle limitées. Au milieu des années 70, le système de contrôle informatique à intelligence répartie ( en anglais «Distributed Computer Control System » DCCS) a été annoncé par Honeywell [25] comme un système de contrôle hiérarchique communicant avec un grand nombre de microprocesseurs. Depuis, le concept des DCCS s’est largement répandu dans de nombreux systèmes d’automatisation dont l’industrie du transport et le bâtiment. Les protocoles de communication sont classés en deux grandes catégories à savoir les protocoles ouverts et les protocoles fermés. Un protocole est dit ouvert ou « Système ouvert » si un ensemble de produits hétérogènes (de plusieurs fabricants) communiquent sur un réseau homogène interopérable non propriétaire. C’est le cas des protocoles BacNet, LON, Modbus, Knx, Profibus, Bus CAN à l’opposé un système est dit fermé lorsque seul les produits du même constructeur communiquent sur un réseau dit propriétaire(Ego-n, iNels, Nikobus, XComfort). Dans ce chapitre, nous ne traiterons que des protocoles ouverts.

Le BacNet

Généralités
Créé en juin 1987 à Nashville [26] par l’association American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers (ASHRAE), le protocole BacNet est devenu en 2003 la norme internationale DIN EN ISO 16484-5 et ISO 16484-6. Le protocole BacNet définit un modèle pour l’automatisation des bâtiments, décrivant l’interaction entre les dispositifs et systèmes. Ce protocole définit la structure des données et des commandes dans un modèle orienté-objet avec les services d’accès à des données et une architecture réseau flexible. La norme BacNet définit six types de réseaux de communication pour le transport des messages BacNet, que sont le BacNet ARCnet ,BacNet Lontalk,BacNet Ethernet,BacNet IP, BacNet Point-to-Point, BacNet MS/TP [27]. Chaque type de réseau est défini suivant sa couche physique et de liaison de données :

Parmi les six types de réseau BacNet, le MS / TP est le plus utilisé pour établir des connexions entre les nœuds BacNet, en raison de son rapport coût-efficacité et de sa facilité de mise en œuvre [26].

Le BacNet MS/TP
Le BacNet MS/TP (Master Slave/Token Passing) est l’un des réseaux BacNet les plus répandus et implémentés en utilisant la norme de signalisation EIA-485. Son support de communication est la paire torsadée blindée (PTB). Sa vitesse de communication varie de 9,6 Kbit/s à 76,0Kbit/s. Les nœuds BacNet MS/TP sont divisés en deux groupes, les nœuds maîtres et des nœuds esclaves. Le contrôle d’accès au support de communication peut être réalisé de deux manières à savoir le maître/esclave (MS) ou par passage de jeton (TP). Les nœuds sont initialisés et entrent dans un état de repos IDLE, en attendant l’arrivée d’un télégramme, qui peut être :

➤ Une trame invalide : il reste en IDLE ;
➤ Réception d’une trame instruise : il reste en IDLE ;
➤ Un jeton : il a l’autorisation d’accès au canal. Il communique les informations nécessaires avec des esclaves ou autres maîtres du réseau et transmet le jeton au nœud suivant ;
➤ La réception d’un sondage de maître : dans ce cas, le nœud renvoie une trame avec l’adresse du nœud émetteur du sondage ;
➤ La réception d’un DataNoReplay : ce message signale l’accusée de réception d’un message précédent ;
➤ La réception d’un DataNeedingReplay : il signale l’accusée de réception du message précédent avec la réponse à la requête demandée.

Structure de la trame MS/TP
Une trame BacNet MS / TP contient le type de trame, l’adresse de destination, l’adresse de source, la longueur de la trame, tête CRC, les données BacNet et des données CRC [26].

Performance du réseau BacNet MS/TP
La performance du protocole BacNet MS/TP est évaluée en termes de TRT (Token Rotation Time) et RTT (Round Trip Time). TRT est défini comme le temps de rotation du jeton pour chaque noeud sur le réseau et le RTT défini comme le temps passé pour émettre et et recevoir pour chaque noeud lorsqu’il a le jeton.

Le KNX

Généralités

La spécification KNX a été publiée par l’Association KNX en 2002. Le KNX est basé sur la spécification d’un ancien standard EIB (European Installation Bus un standard européen, normalisé ISO créé en 1987) complété avec de nouveaux mécanismes de configuration et utilisant les supports de communication développés à l’origine par BatiBUS et EHS(Environment health and safety ). Au début des années 90, le Batibus, l’EIB et l’EHS étaient trois solutions européennes importantes dédiées au contrôle de l’habitat résidentiel et des bâtiments. Le Batibus avait surtout du succès en France, en Italie et en Espagne alors que l’EIB était plus dans les pays germanophones et nordiques. Le KNX est un réseau de dispositifs (programmable) qui permettent la gestion technique des bâtiments notamment pour la gestion de l’éclairage et la luminosité, le chauffage, la ventilation et la climatisation (CVC). Il vise à améliorer le contrôle, la surveillance et l’administration des sous-systèmes techniques de bâtiment afin de gagner en efficacité et contrôle des coûts énergétiques et d’améliorer le confort des occupants. Ainsi, un système KNX complètement étendu peut accueillir jusqu’à 57600 appareils(noeuds). Le réseau KNX peut utiliser comme support de communication des paires torsadées, la fréquence radio (RF) ou des réseaux IP. Comparer au modèle OSI, le réseau KNX est basé sur 5 couches .

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Table des matières

Introduction générale
1 État de l’art
1.1 Introduction
1.2 Contexte de l’efficacité énergétique dans le ferroviaire
1.3 Les solutions pour l’efficacité énergétique dans le bâtiment
1.4 Les protocoles de communication filaire
1.4.1 Historique des protocoles de communication
1.4.2 Le BacNet
1.4.3 Le KNX
1.4.4 Le Modbus
1.4.5 Le LonWork
1.4.6 Le M-Bus
1.4.7 Le bus DALI
1.4.8 Le bus CAN
1.4.9 Le Profibus
1.5 Généralité sur les technologies sans fil
1.5.1 Les réseaux longue portée à bas débit
1.5.2 Les réseaux de courte portée
1.5.3 Comparaison et choix et du réseau pour la plateforme
1.6 Le standard ZigBee
1.6.1 La pile protocolaire ZigBee
1.6.2 Les nœuds du réseau ZigBee
1.6.3 Topologie du réseau
1.6.4 La couche PHY
1.6.5 La couche MAC
1.7 Conclusion
2 Étude du canal de propagation
2.1 Introduction
2.2 Les mécanismes de la propagation électromagnétique
2.2.1 La réflexion
2.2.2 La diffraction
2.2.3 La diffusion
2.3 Les modèles de canaux de propagation radio
2.3.1 Le modèle de Friis(Espace Libre)
2.3.2 Les modèles déterministes
2.3.3 Les modèles empiriques et statistiques
2.3.4 La méthode Power Balance (PWB)
2.4 Les logiciels de simulation
2.4.1 Le simuEM3D basé sur l’optique géométrique
2.4.2 L’outil CAPITOLE-EMC
2.5 La caractérisation du module XBee
2.5.1 Caractérisation du module XBee en chambre anéchoïque
2.5.2 Caractérisation du module XBee en outdoor
2.5.3 Caractérisation du module XBee en indoor
2.6 Étude de la propagation du signal radio à 2.4GHz en indoor(bâtiment)
2.7 Étude de la propagation radio à 2.4GHz dans le train
2.7.1 La propagation du signal dans un métro
2.7.2 La propagation du signal dans un train de type RER
2.8 Synthèse de l’étude sur la propagation radio à 2.4GHz
2.9 Conclusion
3 La plateforme matérielle et logicielle de collecte de données dans le train basée sur le réseau zigbee
3.1 Introduction
3.2 Cahier des charges
3.3 Proposition d’architecture réseau
3.3.1 Généralité
3.3.2 Choix de topologie du réseau sans fil ZigBee
3.4 Conception des modules constituants le réseau
3.4.1 Les modules d’entrée pour capteurs ou modules actionneurs sans fil
3.4.2 Les coupleurs sans fil ZigBee/KNX
3.4.3 La passerelle universelle IP<->ZigBee
3.5 Présentation de la plateforme logicielle
3.5.1 Définition et historiques logiciels de supervision
3.5.2 Architecture logicielle
3.5.3 La Base de données
3.5.4 Le configurateur de la supervision
3.5.5 Fonctionnement de l’application
3.5.6 Résultats de l’implémentation
3.5.7 L’interface graphique appliquée au train
3.6 Conclusion
4 Optimisation du réseau ZigBee et coexistence
4.1 Introduction
4.2 Les vulnérabilités et les mesures de sécurité du réseau ZigBee
4.2.1 Les vulnérabilités du réseau ZigBee
4.2.2 Les mesures de sécurité pour le réseau ZigBee
4.3 Optimisation de la puissance d’émission des nœuds ZigBee dans le train
4.4 Interférence entre nœuds de deux voitures
4.5 Impact de l’humain sur la propagation
4.6 Planification fréquentielle du réseau ZigBee dans le train
4.7 La coexistence entre le ZigBee et le WiFi
4.8 Gestion d’interférence entre deux véhicules proches
4.9 Conclusion
Conclusion générale