Une connectivité nouvelle pour l’automatisation

Quand l’automatisation requiert une connectivité nouvelle

« Les régulateurs traditionnels des systèmes de chauffage, ventilation et climatisation (CVC) utilisés depuis plusieurs décennies laissent place à une technologie plus sophistiquée qui s’appuie sur de nombreuses options de connectivité, à l’instar d’un système nerveux central. »

Les régulateurs traditionnels des systèmes CVC utilisés depuis plusieurs décennies laissent place à une technologie plus sophistiquée qui s’appuie sur de nombreuses options de connectivité, à l’instar d’un système nerveux central. Le choix de la page blanche pour élaborer ces systèmes ne manque certes pas d’attrait, mais de nombreux promoteurs minimisent le risque en intégrant de multiples options de connectivité et protocoles de communications pour créer des systèmes intelligents hétérogènes, à partir de soussystèmes éprouvés et testés.

Des attentes nouvelles

Pourquoi cet intérêt pour les bâtiments intelligents ? Les investissements conséquents qu’impliquent les nouveaux projets de construction signifient que l’espace résultant doit permettre de maximiser la rentabilité pendant toute la durée de vie opérationnelle du bâtiment. Avec l’évolution rapide que connaissent aujourd’hui le travail, les loisirs, la production, la logistique, le commerce de détail et le secteur de la santé, les bâtiments doivent eux aussi s’adapter à de nouvelles circonstances. WeWork, une société de coworking, en a démontré le principe en adaptant les bâtiments hérités des centres-villes en espaces de bureaux flexibles. Et la pandémie nous a appris que, en dernier recours, des centres d’exposition peuvent être transformés en hôpitaux, des gymnases peuvent devenir des centres de vaccination, et nos propres domiciles peuvent être réaménagés en espaces de travail.

Les nouveaux bâtiments doivent donc être conçus en veillant à ce que l’espace puisse être adapté aisément et à moindre coût. Ils doivent aussi bénéficier d’une infrastructure pouvant être rapidement reconfigurée afin d’offrir l’alimentation électrique, l’éclairage, les systèmes CVC, les connexions IT et les réseaux de données partout où ils sont nécessaires, quelle que soit la configuration de base du bâtiment.

Examen des technologies

Martin Keenan

Director of Technical Development, Avnet Abacus

Les bâtiments doivent également être réinventés afin de minimiser leur empreinte climatique. Ce qui passe notamment par des codes de construction plus stricts, des matériaux innovants et de nouvelles approches : par exemple, utiliser une connectivité sans fil plutôt qu’un câblage structuré pour économiser des matières premières telles que le cuivre. Les stratégies en matière de bâtiments intelligents peuvent également viser à la réduction de l’un des principaux facteurs d’impact environnemental : la manière dont ils sont utilisés. Par exemple, combiner pièce par pièce les capacités de détection de présence avec les systèmes CVC et d’éclairage, peut permettre de couper le chauffage, la climatisation et l’éclairage dans les espaces de bureaux, dès qu’ils sont inoccupés. Les bâtiments intelligents sont également équipés de systèmes de surveillance et de sécurité exhaustifs afin de les protéger contre un large éventail de menaces. Les mesures mises en œuvre peuvent notamment inclure des caméras de sécurité basées sur protocole IP, des détecteurs de présence et, depuis la pandémie, des capacités d’imagerie thermique à l’entrée des bâtiments permettant d’identifier les personnes dont la température corporelle est anormalement élevée. Les systèmes de comptage de personnes, avec capteurs infrarouges, sont également utilisés pour vérifier immédiatement le nombre de personnes présentes dans une pièce.

Ces avancées dont bénéficient les infrastructures techniques peuvent aider les systèmes de gestion des bâtiments intelligents à ajuster les réglages CVC pour les adapter aux niveaux d’occupation réels. Elle fournissent aussi les données brutes requises pour comprendre la dynamique d’occupation du bâtiment – ce qui s’avère utile, par exemple, pour suivre les tendances des consommateurs dans les espaces consacrés aux commerces de détail, ou pour optimiser le déploiement des personnels dans d’autres contextes.

Examen des technologies

La pandémie nous a appris que les bâtiments peuvent avoir un impact important sur notre santé. Les systèmes CVC sont adaptés pour surveiller et améliorer la qualité de l’air, en utilisant des capteurs de chaleur et d’humidité, et en détectant la concentration des principaux gaz tels que l’oxygène, l’azote, et le dioxyde de carbone.

L’éclairage est un autre élément critique dans les stratégies utilisées pour les bâtiments intelligents. Un éclairage correctement conçu peut encourager les consommateurs à acheter davantage dans les magasins, permettre aux personnes travaillant dans les bureaux de se concentrer plus longtemps sur leur tâche, et aider les gens à mieux apprécier le temps passé dans les espaces sociaux et de convivialité. L’une des façons de parvenir à un éclairage fonctionnel de ce type est l’installation de systèmes intelligents, qui peuvent être contrôlés à distance pour assurer différents effets et s’adapter rapidement à des changements plus importants, tels que la reconfiguration des espaces à l’intérieur du bâtiment.

Au moins deux approches peuvent être suivies pour installer des systèmes d’éclairage intelligents : l’une permet de fournir une alimentation autonome, puis de connecter les éclairages au système de gestion du bâtiment à l’aide d’un réseau Bluetooth ; l’autre utilise l’alimentation électrique par câble Ethernet (Power over Ethernet), à la fois pour fournir l’énergie et pour contrôler les données de chaque lampe.

Illustrant un autre exemple de l’imbrication croissante des choix stratégiques de connectivité des bâtiments, certains promoteurs envisagent d’utiliser des systèmes d’éclairage intelligents pour assurer des liaisons de données et permettre différentes fonctionnalités.

Le Li-Fi, obtenu en modulant les LED d’éclairage à des fréquences suffisamment élevées pour transporter des volumes de données utiles sans provoquer de scintillement perceptible, est considéré par certains comme une alternative viable au Wi-Fi. Certains jugent également que le Li-Fi est plus sûr que le Wi-Fi pour certaines applications.

Standards pour une connectivité câblée

Parce que les bâtiments intelligents sont censés intégrer de si nombreux types de fonctionnalités, ils utilisent souvent des stratégies de connectivité hétérogènes provenant d’autres disciplines. De nombreux systèmes traditionnels de gestion des bâtiments utilisent une connectivité hiérarchique, avec un bus primaire reliant ensemble des contrôleurs de haut niveau, et des bus secondaires assurant les connexions à des contrôleurs de niveau inférieur, à des dispositifs I/O et à des interfaces utilisateur.

Les dispositifs dialoguent entre eux sur des protocoles ouverts tels que BACnet ou LonTalk, et la connectivité physique est assurée de diverses façons, avec notamment la fibre optique, des liaisons Fieldbus ou Ethernet classique, des connexions série RS232 et RS485, ou des réseaux sans fil spécialisés basse puissance, à faible largeur de bande. Les systèmes avancés de gestion des bâtiments tendent vers l’utilisation du protocole IP pour unifier les communications. La connectivité est alors assurée de diverses manières, y compris avec la fibre pour les dorsales des bâtiments, l’Ethernet classique avec des options d’alimentation par câble Ethernet (Power over Ethernet), et des options sans fil tels que Wi-Fi, Li-Fi, Bluetooth, Zigbee et même la 5G.

Une option de connectivité émerge à l’heure actuelle : l’Ethernet à paire unique (SPE), une version simplifiée de l’Ethernet traditionnel, avec une seule

« Les systèmes avancés de gestion des bâtiments tendent vers le protocole IP pour unifier les communications. »

paire torsadée pour transmettre des données, et des connecteurs miniaturisés. Cette option de connectivité câblée dense, rapide, facile à installer et moins coûteuse que l’Ethernet traditionnel est régie par la norme IEEE 802.3cg-2019 et offre un débit de 10 Mbit/s sur des distances pouvant atteindre 1 000 m (10 Base-T1L). Les signaux conformes à ce standard requièrent une conversion pour assurer la connexion à des réseaux 10/100/1000 Base-T. Le standard SPE est supporté par les spécifications émergentes pour les performances des câbles, connecteurs et canaux. Le nouveau connecteur SPE défini par la norme CEI 63171-1 ressemble au connecteur LC utilisé pour les fibres optiques et est donc couramment désigné sous l’appellation « cuivre LC ». Il sera également possible de fournir jusqu’à 50 W sur l’Ethernet à paire unique, bien que l’approche utilisée ne soit pas compatible avec l’infrastructure d’alimentation sur l’Ethernet (PoE) actuelle. Des travaux sont également en cours pour définir comment l’Ethernet SPE doit être utilisé avec les câblages structurés, afin de lui permettre de jouer un plus grand rôle dans l’avenir au niveau des infrastructures de bâtiments intelligents.

Connectivité sans fil

Il est aujourd’hui fait appel à de nombreux protocoles différents pour permettre une connectivité sans fil dans les bâtiments intelligents. Par exemple, les capacités de réseau maillé avec Bluetooth LE (basse consommation) permettent de créer facilement des réseaux sans fil ad hoc entre les capteurs économiques installés dans un bâtiment intelligent. Les capacités de Bluetooth comme balises peuvent également être utilisées pour fournir aux occupants des bâtiments des services de données hautement localisés. De multiples technologies LAN sans fil basse puissance, telles que Zigbee, peuvent aussi être mises à contribution pour permettre les fonctionnalités nécessaires aux bâtiments intelligents. A l’instar de la connectivité câblée, et bien qu’il soit plus simple de s’en tenir à un seul standard, dans la pratique les bâtiments intelligents devront probablement intégrer de multiples standards WAN basse puissance pour supporter l’utilisation d’une large panoplie de fonctions – capteurs, éclairages et systèmes de contrôle locaux, entre autres. L’une des normes clés pour la connectivité sans fil des bâtiments intelligents sera l’IEEE802.11ax, communément désignée Wi-Fi 6. Cette norme utilise les mêmes fréquences et structure de canaux que les normes Wi-Fi précédentes, mais avec des schémas de modulation plus sophistiqués autorisant des débits de données supérieurs pour un spectre radio de même ordre. WiFi 6 emploie une technique multivoie, communément désignée « entrée-multiple et sortie-multiple multiutilisateur » pour permettre à chaque point d’accès de prendre en charge huit utilisateurs simultanés – deux fois plus que ceux supportés par la norme Wi-Fi 5. Les techniques de formation de faisceaux permettront d’étendre la portée de chaque routeur. Le support de la technique TWT (Target Wake Time) permettra aux routeurs Wi-Fi 6 d’indiquer aux dispositifs quand ils doivent être actifs et inactifs, afin de minimiser la consommation électrique. Le nombre plus restreint de dispositifs interrogeant le routeur permettra en outre de réduire les interférences radio et donc d’augmenter le débit global. Cette combinaison de fonctionnalités facilitera la tâche des concepteurs de bâtiments intelligents en termes de connectivité à large bande passante, pour des populations transitoires d’utilisateurs multiples dans des lieux encombrés, à partir d’un nombre restreint de routeurs. Elle permettra également de faire de la connectivité sans fil une option plus viable pour les infrastructures semi-permanentes, telles que les caméras de sécurité.

La norme cellulaire 5G figure en tête de liste des options de connectivité sans fil en termes de capacités et de complexité. Ce standard de communications mobiles

Examen des technologies

largement sollicité offre une bande passante plus importante, un temps de latence inférieur et le support requis pour un plus grand nombre de dispositifs par unité de surface desservie que les standards cellulaires précédents. Cette norme inclut également deux protocoles de communications à faible consommation et faible débit, formulés pour supporter les systèmes associés à l’Internet des Objets. La promesse de la 5G réside dans le fait que de nombreux besoins de connectivité pour les bâtiments intelligents pourraient en théorie utiliser des équipements opérant avec une seule norme générique. La mise en œuvre de la 5G dans les bâtiments impliquera l’installation de multiples répéteurs de signaux 5G, ou d’un système d’antenne distribué venant se connecter à une station de base 5G centralisée. Les utilisateurs devront également savoir s’ils veulent installer un réseau 5G privé, ou apporter simplement dans le bâtiment le réseau d’un opérateur extérieur. Les problèmes de propagation, notamment avec les ondes millimétriques agréées pour la 5G dans des régions du monde telles que les Etats-Unis, devront faire l’objet d’une attention particulière au niveau de la planification radio, afin de minimiser les interférences entre les réseaux sans fil co-localisés, tout en maximisant le service pour chaque utilisateur. Les bâtiments intelligents sont fondés sur le postulat selon lequel, avec des infrastructures adaptées en termes de communications, de capteurs et d’actionneurs, ils ne sont plus uniquement des constructions permettant aux occupants de se mettre à l’abri des conditions météorologiques extérieures, mais qu’ils deviennent des « machines à vivre » sophistiquées. Cette vision idéalisée repose bien sûr sur des technologies de pointe et sur une dorsale de connectivité hétérogène. En réalité, les bâtiments intelligents actuels ont simplement évolué depuis leur statut ancien de constructions peu intelligentes, et leurs fonctionnalités et capacités de connectivité seront mises en œuvre dans un mix de technologies à la fois existantes et nouvelles. Dans un tel contexte, la planification de la connectivité consistera bien plus à assurer une coexistence pacifique entre de multiples standards, qu’à choisir la bonne approche à partir d’une page blanche.

Conclusion

Hirose jouit d’une réputation établie dans l’industrie pour ses connecteurs innovants d’un haut niveau de qualité. Pour répondre à la demande actuelle de connecteurs FPC robustes à montage vertical, Hirose a lancé sa série FH40.

Le boîtier est doté d’une solide structure de verrouillage, étayée par l’utilisation de contacts uniques qui constituent un point d’articulation fiable pour l’actionneur rotatif, sans avoir à s’appuyer sur les parois du boîtier. L’actionneur est ainsi supporté sur toute la longueur du connecteur, ce qui garantit des performances supérieures et une connexion fiable.

Innovante également la conception de l’actionneur, avec son angle de surface permettant d’éviter les déverrouillages intempestifs pouvant être engendrés par des vibrations. La robuste construction de l’actionneur lui permet de résister aux manipulations brutales et offre une force de rétention FPC importante – 26N minimum. Des cavités spéciales de chaque côté du connecteur, baptisées « side catchers » (maintiens latéraux), maintiennent en place un connecteur FPC avec pattes. Cette disposition permet de stabiliser temporairement l’ensemble pour effectuer un positionnement guidé à la fois simple et précis. L’insertion du FPC s’opère avec souplesse, grâce à la large surface de guidage ainsi offerte sur le connecteur.

Il est possible d’utiliser un connecteur FPC standard avec pattes, en épaisseur 0,3 mm, identique à celui de la série FH28 très populaire, en version montage à angle droit, qui autorise une grande souplesse en termes de conception.

CARACTERISTIQUES

• Nombre de contacts : 10, 20, 24, 30, 40, 45, 50, 60, 64, 80 • Hauteur : 5,8 mm • Espacement : 0,5 mm • Courant nominal : 0.5A • Tension nominale : 50V • Structure robuste • Cycles de connexion : 20 • Température de fonctionnement : -40°C à +105°C

Plus d’informations sur avnet-abacus.eu/hirose

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