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Chapitre II. Etat de l’art des technologies utilisées dans les applications du Home & Building

II.3. Les protocoles sans fil RadioFréquences dédiés aux systèmes HBA

II.3.4. EnOcean

Figure II-27 : La stack du protocole EnOcean

EnOcean [62] est un standard RadioFréquences ouvert normalisé ISO / IEC 14543-3-10,

également connu sous le nom de Wireless Short Protocol (WSP), protocole optimisé pour la

récupération d'énergie (Energy Harvesting) dédié aux applications du HBA. EnOcean était à la base

fondé par Siemens AG en 2001, et en 2008, un grand nombre de compagnies se sont regroupées afin

de former la EnOcean Alliance (San Ramon, Californie, USA). Ils ont établi le standard et continuent

de le faire évoluer. La stack de EnOcean est représentée Figure II-27. Ce protocole utilise plusieurs

bandes de fréquences : 315 MHz, 868,3 MHz, 902 MHz et 928,35 MHz ; la fréquence 868,3 MHz est

celle utilisée pour le marché européen et les données sont transmises en utilisant la modulation 2-ASK.

Le débit est de 125 kbit/s et la bande passante du canal nominal est de 280 kHz avec des émissions de

trames de l’ordre de 1 ms. La composition d’un exemple de trame EnOcean est représentée dans la

Figure II-28. Celle-ci contient une payload de 0 à 14 octets et une longueur totale maximum de 27

octets. Ce qui implique une durée de trame de 1,7 ms. Mais en EnOcean, il existe plusieurs types de

trames avec des headers différents et des payloads qui varient en longueur (4, 8, 9 ou 14 octets).

EnOcean combine des convertisseurs micro énergie avec des composantes électroniques ultra

faibles puissances [63]. En effet, un léger mouvement mécanique (piézo-électrique) et d'autres

ressources potentielles dans l'environnement, telle que la lumière intérieure, le changement de

température (thermo-électrique) ou du courant inductif, sont transformés en énergie électrique qui est

ensuite transformée en énergie électromagnétique. Ceci permet ainsi la communication entre des

capteurs radio sans pile, des commutateurs, des contrôleurs et des passerelles. En réalité, le

développement de capteurs et de commutateurs radio sans pile est le principal argument de vente de

EnOcean car ce sont les seuls dispositifs qui peuvent être des émetteurs purs nécessitant une basse

consommation d’énergie. Les autres produits supportent le protocole EnOcean mais sont alimentés par

secteur, cela signifie qu’il n’est pas possible d’avoir un système global EnOcean entièrement basé sur

de l’Energy Harvesting. Par ailleurs, EnOcean peut supporter une topologie étoile ou une topologie

maillé ; le choix de la topologie dépend notamment de l’alimentation des produits présents dans le

réseau : sur secteur, sur pile, ou autoalimenté. Afin de consommer le moins d’énergie possible,

plusieurs concessions ont été faites. Les liens sont unidirectionnels par défaut, il n'y a donc

habituellement pas d’acquittement de trames et les produits n’implémentent aucune interface

d’affichage.

Le profil utilisé est défini par l’EEP (EnOcean Equipement Profil) dans la couche Application, il

indique le type de données transmises et le comportement du produit [64]. Un profil EEP comprend

trois éléments qui définissent le profil et les caractéristiques techniques du produit :

RORG : Indique le type de message radio (exemple : quelle est la quantité de données ? le

message est-il sécurisé ?).

FUNC : Détermine la fonction de base du produit, exemples : détecteur, capteur, sonde,

interrupteur, etc.

TYPE : Définit les caractéristiques précises propres à l’appareil, comme par exemple

l’intervalle de valeurs possibles pour un capteur de température.

L’EEP qu’un produit peut supporter dépend du fabricant. Le choix du profil se fait pendant la

phase d’apprentissage entre le capteur et l’actionneur à travers un processus appelé « Teach-in ».

Selon le niveau de la couche OSI, EnOcean utilise trois types de paquets différents : Trame,

Sous-télégramme et Télégramme.

Figure II-29 : Illustration du télégramme EnOcean composé de 3 sous-télégrammes espacés d’un temps de veille

La trame : C'est le format associé à la couche Physique. La composition de cette trame est

détaillée dans la Figure II-28. A ce niveau, la trame comprend les headers contenant les

informations sur le contrôle et la synchronisation, destinées au récepteur.

Le sous-télégramme : C'est le format associé à la couche Liaison et c'est le résultat du processus

de décodage de la trame qui omet les champs physiques de contrôle et de synchronisation. La

procédure inverse d'encodage est appliquée pour obtenir une trame d'un sous-télégramme. Sachant

que EnOcean est un protocole radio unidirectionnel (pas d’acquittement), trois sous-télégrammes

identiques (Figure II-29) sont transmis pendant un intervalle de temps limité afin d’augmenter la

probabilité que la trame soit reçue. Afin de vérifier qu'un sous-télégramme est arrivé intact, un

CRC de 1 octet est calculé avant la transmission et attaché au sous-télégramme. Si une erreur est

détectée, le sous-télégramme est ignoré.

Le télégramme : C'est le format associé à la couche Réseau. Un télégramme complet est constitué

de 3 sous-télégrammes (Figure II-29).

II.3.4.2.Les mécanismes de robustesse de EnOcean

a) Le timing du « sous-télégramme » EnOcean

Comme mentionné précédemment, un télégramme complet se compose d'un maximum de trois

sous-télégrammes. Le timing du sous-télégramme vise à éviter les collisions entre les différents

émetteurs. Chaque sous-télégramme est transmis dans un intervalle de temps différent. Le protocole

EnOcean définit des temps d'échéance pour l’émission et la réception. Il s’agit de l'intervalle de temps

dans lequel les trois sous-télégrammes doivent être transmis / reçus : La transmission du début du

premier sous-télégramme jusqu’à la transmission de la fin du dernier sous-télégramme ne doit pas

dépasser le temps d’échéance TX qui a une valeur paramétrable maximum de 40 ms. Coté récepteur,

le temps entre la réception de la fin du premier sous-télégramme et la fin du dernier sous-télégramme

ne doit pas dépasser le temps d’échéance RX d’une valeur paramétrable maximum de 100 ms, et ce

même lorsque des répéteurs sont impliqués. Pour éviter les collisions, chaque produit envoie ses

trames à un moment 𝒕 différent. Pour planifier la transmission d’un sous-télégramme, le temps

d’échéance TX est divisé en 4 plages (Figure II-30); chaque plage est divisée en 10 intervalles de

temps de 1 ms chacun. La numérotation des tranches de temps commence par 0 et se termine par 39.

Figure II-30 : Composition de la période d’échéance TX de EnOcean

Ces 4 plages sont utilisées pour envoyer les 3 sous-télégrammes. Un paramétrage détermine dans

quelle plage un sous-télégramme doit être envoyé. Pour éviter les collisions lors de l'utilisation de

répéteurs, ceux-ci sont paramétrés pour avoir des timings d’envois différents de l’émetteur initial. Le

Tableau II-7 détails les timings qui peuvent être choisis pour chaque sous-télégramme.

Tableau II-7 : Timing des trois sous-télégrammes EnOcean visant à réduire les collisions de trames

Type d’émetteur 1er sous-télégramme 2ème sous-télégramme 3ème sous-télégramme

Emetteur initial 0 1…9 20…39

1er répéteur 10…19 20…29 20…29

2ème répéteur 0…9 20…29 20…29

b) Grand débit et courtes trames

EnOcean utilise un débit de 125 kbit/s, ce qui permet de transmettre des trames extrêmement

courts (~1 ms typiquement). A titre de comparaison, Zigbee par exemple nécessite 15 millisecondes

pour réaliser un cycle de transmission-acquittement de trame. Par conséquent, toute erreur causée par

des collisions de trames EnOcean reste extrêmement faible. Statistiquement parlant, la fiabilité de

transmission est toujours mieux que 99,99% pour 100 capteurs sans fil chacun transmettant

simultanément leurs trames une fois par minute.

c) Listen Before Talk (non supporté par les produits EnOcean d’Energy Harvesting)

C’est une caractéristique optionnelle pour les produits émetteurs, ayant pour objectif d'éviter les

collisions avec d'autres émetteurs. Si le canal s’avère occupé, la transmission est suspendue pendant un

temps aléatoire qui varie uniformément sur un intervalle de temps (par exemple : 5 secondes, 60

secondes ou 15 minutes. Cette intervalle est paramétrable et dépend du cas d’usage. Après ce délai,

l'émetteur réécoute le canal et si le canal est de nouveau libre la trame est transmise immédiatement.

Dans le cas où le retard aléatoire calculé conduirait à une violation de l'échéance TX, une transmission

forcée du sous-télégramme est faite malgré que le canal soit occupé. Il est recommandé d’utiliser le

LBT, mais celui-ci ne peut pas garantir qu’aucune collision ne surviendra. En outre, certains produits

émetteurs ne peuvent pas supporter cette fonctionnalité comme les produits autoalimentés.

d) Smart-ACK (non supporté par les produits EnOcean d’Energy Harvesting)

Le Smart-ACK permet une communication bidirectionnelle. La communication est gérée par un

contrôleur qui répond aux télégrammes qu’il reçoit par des acquittements. Dans une communication

entre deux dispositifs EnOcean, au moins un produit doit être alimenté par secteur.

II.3.5.Z-wave