Morse Micro propose une solution USB pour assurer une connectivité longue portée aux appareils industriels

Morse Micro a présenté deux conceptions de référence de dongles USB Wi-Fi HaLow destinées à faciliter l’ajout d’une connectivité sans fil longue portée à des équipements qui n’avaient jamais été conçus pour intégrer du matériel Wi-Fi HaLow.

Basées sur le système sur puce MM8108 de l’entreprise, les deux modèles MM8108-RD09 et MM8108-RD17 utilisent l’USB comme point de connexion entre le Wi-Fi HaLow et une plateforme hôte existante. Pour les utilisateurs industriels, cette approche est importante, car elle crée une possibilité de mise à niveau pour les ordinateurs, les robots et les appareils edge, sans obliger les fabricants à reconcevoir la carte mère hôte autour d’une radio HaLow dédiée.

Figure 1. Les conceptions de référence USB MM8108 de Morse Micro proposent deux approches différentes pour ajouter la connectivité Wi-Fi HaLow à des appareils existants.

Pourquoi l’USB change le problème d’intégration

Le Wi-Fi HaLow a généralement été abordé dans le contexte de nouveaux équipements IoT, pour lesquels la radio peut être conçue dès le début du développement du produit. Les environnements industriels sont différents. Une usine peut déjà disposer d’ordinateurs, d’équipements mobiles, de robots ou de contrôleurs intégrés ayant encore plusieurs années de service utile, même si ces plateformes ne possèdent pas la technologie sans fil requise pour une nouvelle application.

Remplacer l’ensemble de la plateforme hôte simplement pour obtenir une autre interface sans fil est rarement intéressant. Reconcevoir l’électronique autour d’une nouvelle radio peut être tout aussi difficile, car cela introduit des considérations liées à l’ingénierie RF, au micrologiciel, à la certification et à la conception mécanique. Une implémentation USB transfère une grande partie de cette complexité vers une conception de référence externe et laisse l’architecture hôte existante largement intacte.

Cela ne rend pas l’intégration totalement prête à l’emploi dans toutes les applications, mais modifie le point de départ de l’ingénierie. Au lieu de se demander comment reconcevoir un ordinateur industriel pour le Wi-Fi HaLow, les développeurs peuvent commencer par déterminer si une interface USB existante peut fournir la connectivité requise.

Le Wi-Fi HaLow cible un autre espace sans fil

Le Wi-Fi HaLow repose sur la norme IEEE 802.11ah et fonctionne dans le spectre inférieur au GHz, plutôt que dans les bandes de 2,4 GHz, 5 GHz et 6 GHz associées au Wi-Fi grand public. Sa fréquence de fonctionnement plus basse vise à offrir une portée accrue et de meilleures caractéristiques de propagation pour les applications IoT, tout en conservant une mise en réseau IP native.

Morse Micro indique que ses implémentations HaLow peuvent fournir une connectivité réseau sur des distances atteignant environ un kilomètre, même si la portée industrielle réelle dépendra toujours des règles régionales relatives aux fréquences, des antennes, de la puissance d’émission, des obstacles, des interférences et de l’environnement physique.

Cette technologie est donc intéressante pour les sites où la couverture Wi-Fi conventionnelle devient difficile ou exige une infrastructure importante. Les entrepôts, les zones de processus extérieures, les aires logistiques, les installations agricoles et les actifs industriels répartis peuvent tous impliquer des distances difficiles à couvrir avec les hypothèses habituelles des réseaux sans fil intérieurs.

L’intérêt ne réside pas seulement dans la portée maximale. Le Wi-Fi HaLow est également conçu pour les applications IoT à faible consommation tout en conservant une mise en réseau IP familière. Cela peut réduire le besoin de traduire les protocoles entre la liaison sans fil et les infrastructures Ethernet ou IP conventionnelles.

Le RD09 étend le Wi-Fi HaLow aux infrastructures réseau existantes

Le MM8108-RD09 est conçu pour fonctionner dans des applications de point d’accès et de station. Morse Micro fournit une prise en charge d’OpenWrt permettant de mettre à niveau des routeurs et des points d’accès compatibles dotés d’une connectivité USB afin de leur ajouter la fonctionnalité Wi-Fi HaLow.

Le RD09 est donc particulièrement pertinent pour les développeurs d’infrastructures et les intégrateurs de systèmes. Une plateforme de routeur existante peut déjà fournir le routage Ethernet, le pare-feu, la gestion et d’autres fonctions réseau, tandis que la conception de référence USB ajoute la couche radio HaLow.

La même conception peut également prendre en charge les appareils clients. Morse Micro indique une prise en charge native des pilotes pour Windows et Linux, ainsi qu’une application macOS, permettant aux ordinateurs conventionnels de se connecter aux réseaux Wi-Fi HaLow par l’intermédiaire du périphérique USB.

Du point de vue de l’intégration industrielle, il s’agit d’une architecture relativement familière : le système d’exploitation comprend l’adaptateur sans fil grâce à un logiciel dédié, et l’hôte peut interagir avec le réseau HaLow comme avec une interface réseau.

Le RD17 adopte une approche plus intéressante pour les équipements industriels

Le MM8108-RD17 répond à un problème différent. Plutôt que d’exiger de l’hôte qu’il comprenne un adaptateur Wi-Fi HaLow dédié et son pilote correspondant, le dongle se présente comme une interface Ethernet CDC-NCM standard.

Pour l’hôte, la connexion ressemble donc beaucoup plus à une interface réseau conventionnelle. Morse Micro décrit le RD17 comme ne nécessitant aucun pilote, car les appareils prenant en charge l’interface standard CDC-NCM n’ont pas besoin qu’un pilote Wi-Fi HaLow dédié de Morse Micro soit installé sur l’hôte.

Cette distinction est importante dans les systèmes industriels où les environnements logiciels peuvent être étroitement contrôlés. Un ordinateur industriel peut exécuter une image logicielle validée que les opérateurs ne souhaitent pas modifier. Un contrôleur de robot ou une plateforme embarquée peut également prendre en charge l’USB tout en offrant peu de flexibilité pour ajouter des pilotes de noyau tiers.

En déplaçant davantage de l’implémentation spécifique à HaLow hors de l’hôte, le RD17 élargit potentiellement la gamme d’équipements pouvant utiliser cette technologie sans fil. Morse Micro cite spécifiquement les ordinateurs industriels et la robotique parmi ses applications cibles, aux côtés des terminaux de point de vente et des appareils Android ou iOS.

Sans pilote ne signifie pas sans configuration

Le terme « sans pilote » peut facilement donner l’impression qu’aucun travail d’intégration n’est nécessaire. En pratique, le point important est plus précis : l’hôte n’a pas besoin d’un pilote Wi-Fi HaLow dédié lorsqu’il prend déjà en charge l’interface Ethernet standard CDC-NCM.

La configuration du réseau, l’authentification, l’adressage et la communication au niveau applicatif doivent toujours être pris en compte. Les ingénieurs industriels doivent également évaluer l’interaction de la nouvelle liaison sans fil avec la segmentation réseau existante, les politiques de cybersécurité et les pratiques de gestion des appareils.

Le RD17 prend en charge le Wi-Fi Easy Connect, également appelé Device Provisioning Protocol, avec un bouton d’appairage permettant l’authentification de l’appareil. Cela peut simplifier l’intégration par rapport au provisionnement manuel des identifiants sans fil au moyen d’une application spécifique à l’hôte.

Pour les organisations qui gèrent de nombreux appareils distribués, l’intégration est souvent tout aussi importante que les performances radio. Une liaison sans fil techniquement performante devient difficile à exploiter à grande échelle si chaque terminal nécessite un processus de provisionnement différent.

Les ordinateurs industriels existants constituent un cas d’usage évident

Les PC industriels restent souvent en service bien plus longtemps que les équipements informatiques grand public. Leurs processeurs, interfaces d’E/S et logiciels peuvent continuer à répondre aux exigences des applications, même lorsque les options réseau d’origine ne correspondent plus à une nouvelle architecture d’usine.

Une interface HaLow basée sur USB offre une solution possible pour prolonger la durée de vie de ces systèmes sans remplacer l’ordinateur. Un PC industriel utilisé, par exemple, pour surveiller des équipements distants pourrait potentiellement se connecter via HaLow tout en conservant ses logiciels existants et sa pile applicative basée sur Ethernet.

Cela est particulièrement pertinent pour les plateformes IHM et informatiques industrielles, où la durée de vie utile du matériel dépasse souvent le cycle de vie des technologies de communication individuelles.

La même idée s’applique aux systèmes informatiques en périphérie. Un appareil edge peut collecter des informations provenant de capteurs, effectuer des analyses locales ou exécuter des inférences d’apprentissage automatique à proximité du processus. Si sa connexion réseau existante ne peut pas couvrir économiquement la distance requise, l’ajout d’une autre interface radio peut être plus simple que la refonte de l’ensemble de la plateforme edge.

La robotique présente un autre ensemble d’exigences en matière de connectivité

Les robots et les appareils industriels autonomes constituent un autre domaine où l’approche USB pourrait être utile, même si les exigences de connectivité varient considérablement selon les applications. Toutes les liaisons de communication des robots ne doivent pas être transférées vers un réseau sans fil longue portée, en particulier lorsqu’une commande déterministe ou une communication liée à la sécurité est requise.

Il existe toutefois de nombreux flux de données secondaires qui n’exigent pas que le réseau sans fil ferme la boucle principale de commande des mouvements. Les informations de diagnostic, les données sur l’état des équipements, l’état de la production, la gestion logicielle et certaines données de capteurs peuvent tous être candidats à une connectivité distincte.

Un robot mobile se déplaçant dans une grande installation peut également sortir de la zone de couverture pratique d’un seul point d’accès conventionnel. Étendre la connectivité grâce à une liaison sans fil inférieure au gigahertz pourrait réduire certains problèmes de couverture, selon la configuration du site et les exigences de performance.

La question d’ingénierie n’est donc pas de savoir si le Wi-Fi HaLow doit remplacer toutes les technologies sans fil industrielles existantes. Il s’agit de déterminer si sa combinaison de portée, de mise en réseau IP et de fonctionnement à faible consommation convient mieux à une liaison de communication donnée que les solutions alternatives.

Une longue portée peut réduire l’infrastructure, mais la planification RF reste essentielle

Une portée annoncée à l’échelle du kilomètre est séduisante, mais les sites industriels ressemblent rarement aux environnements ouverts des tests en laboratoire. Les structures métalliques, les machines, les racks de stockage, les cuves de procédé et les murs renforcés peuvent tous affecter la propagation RF, tandis que les équipements voisins peuvent générer du bruit électrique et des interférences.

Pour cette raison, l’avantage pratique de HaLow peut être de nécessiter moins de points d’accès ou d’offrir une meilleure couverture dans les zones difficiles, plutôt que de simplement atteindre la distance maximale annoncée. Une étude de site et des tests en conditions réelles d’installation restent importants dès lors que le réseau sans fil transporte des données essentielles aux opérations.

La bande de fonctionnement inférieure au gigahertz varie également selon les régions, ce qui signifie que la configuration du produit et les exigences réglementaires doivent être prises en compte lors du déploiement des équipements à l’international. Les équipementiers industriels qui prévoient une plateforme unique pour plusieurs marchés ne peuvent pas supposer que les paramètres radio seront identiques partout.

L’IP native simplifie l’architecture réseau

L’une des caractéristiques les plus importantes du Wi-Fi HaLow pour l’intégration industrielle est sa connectivité IP native. Certaines technologies IoT longue portée sont délibérément optimisées pour les réseaux de capteurs à faible débit de données et s’appuient sur des passerelles pour assurer la traduction entre le protocole radio et les réseaux IP standard.

HaLow adopte une approche différente. Les appareils peuvent participer directement à un réseau IP, ce qui peut rendre l’intégration plus familière aux équipes qui gèrent déjà des infrastructures Ethernet et Wi-Fi.

Cela ne supprime pas la nécessité de disposer de passerelles, de pare-feu ou du routage lorsque l’architecture l’exige. Cela signifie simplement que la traduction des protocoles ne doit pas constituer un élément fondamental de chaque connexion.

Pour les ingénieurs travaillant sur des systèmes de communication et de mise en réseau industriels, cette familiarité peut réduire une partie du travail d’intégration logicielle habituellement associé à l’ajout d’une technologie radio spécialisée longue portée.

Le MM8108 offre une plus grande marge que la simple connectivité des capteurs

Le MM8108 est le SoC Wi-Fi HaLow de deuxième génération de Morse Micro. L’entreprise indique des débits de données PHY atteignant environ 43,3 Mbit/s dans les conditions de fonctionnement prises en charge, ce qui place le composant bien au-dessus des exigences de débit de nombreuses applications de télémétrie élémentaires.

Cela ne signifie pas qu’une installation industrielle atteindra en permanence le débit PHY maximal, particulièrement à longue distance. Le débit réel des applications dépend des conditions du canal, de la modulation, de la surcharge des protocoles et de la conception du réseau.

Cela aide toutefois à comprendre pourquoi Morse Micro positionne les nouvelles conceptions USB pour l’IA en périphérie ainsi que pour la connectivité IoT conventionnelle. Les systèmes distribués en périphérie peuvent générer considérablement plus d’informations que de simples capteurs de température ou de pression, notamment lorsque les applications concernent le diagnostic des machines, les images ou des ensembles de données opérationnelles plus riches.

L’USB peut également accélérer le prototypage

La valeur d’une conception de référence ne se limite pas à la modernisation d’équipements de production. Le matériel USB peut également faciliter les premières évaluations, car les développeurs n’ont pas à s’engager immédiatement dans une carte radio personnalisée.

Un intégrateur système peut tester la couverture, le débit et le comportement des applications à l’aide d’un hôte existant avant de décider si une future conception de production doit conserver l’implémentation USB ou intégrer plus directement le MM8108.

Cela abaisse le seuil pour répondre à la première question essentielle : le Wi-Fi HaLow résout-il réellement le problème de connectivité sur ce site ?

Si la réponse est non, l’équipe d’ingénierie aura évité un important effort de développement matériel. Si la réponse est oui, les mesures recueillies durant la phase de prototypage pourront guider le positionnement des antennes, la topologie du réseau et la conception des futurs produits.

Deux conceptions de référence pour deux voies de mise à niveau différentes

La distinction entre le RD09 et le RD17 est finalement plus importante que le fait que les deux produits utilisent l’USB. Le RD09 intègre HaLow comme une interface sans fil native et convient particulièrement aux routeurs, aux points d’accès et aux ordinateurs où une prise en charge logicielle dédiée est envisageable.

Le RD17 abstrait une plus grande partie de cette intégration de l’hôte en apparaissant comme une interface Ethernet CDC-NCM standard. Il pourrait ainsi être mieux adapté aux équipements industriels et embarqués sur lesquels l’installation de pilotes sans fil supplémentaires est indésirable ou impossible.

Les deux approches s’attaquent au même problème général : une vaste base installée d’équipements a été conçue avant la disponibilité commerciale du Wi-Fi HaLow, et il est difficile de justifier le remplacement de ces équipements uniquement pour bénéficier d’une technologie radio supplémentaire.

La grande opportunité : une connectivité sans devoir repenser la machine

L’importance industrielle des nouvelles conceptions de référence de Morse Micro tient donc moins au connecteur USB lui-même qu’à ce que ce connecteur permet d’éviter. Les équipements existants pourraient accéder à un réseau longue portée inférieur au gigahertz sans refonte complète de l’hôte, tandis que les développeurs peuvent évaluer HaLow à l’aide de plateformes matérielles qu’ils connaissent déjà.

Cela pourrait être utile pour les ordinateurs industriels, les robots, les appareils en périphérie et les infrastructures réseau répartis dans de grands sites, où il est difficile ou coûteux d’étendre la couverture du Wi-Fi conventionnel. Le RD17 est particulièrement remarquable, car son interface Ethernet standard réduit la dépendance à l’égard de pilotes sans fil spécifiques à l’hôte, éliminant ainsi un obstacle courant dans les systèmes anciens et embarqués.

Le Wi-Fi HaLow ne remplacera pas tous les réseaux industriels, et les réseaux sans fil longue portée ne doivent pas être considérés comme un substitut aux infrastructures de contrôle déterministes. Son rôle le plus important pourrait plutôt être de combler l’espace entre le Wi-Fi conventionnel à courte portée et les réseaux IoT spécialisés à faible débit de données, notamment lorsque les équipements ont besoin d’une connectivité IP native sur une zone physique plus vaste.

Pour les ingénieurs industriels, les nouvelles conceptions USB rendent cette option plus facile à tester. Au lieu de commencer par un nouveau projet intégrant une carte mère, un module radio et des logiciels, la première expérimentation peut désormais débuter avec un port USB disponible.