Suivi énergétique sans fil ou filaire pour une rénovation

Choisissez le trajet des données point par point. Si le compteur d’arrivée principale est déjà raccordé à un bus RS-485 Modbus opérationnel, lisez-le sur ce bus. Si un tableau électrique situé trois étages plus loin n’a ni compteur ni chemin de câbles disponible, un compteur sans fil évite le câble, son cheminement et le calfeutrement coupe-feu à chaque étage.

Ce guide fait partie de la série sur la mesure électrique et les transformateurs de courant.

Trois décisions pour chaque point

Pour chaque point de mesure, décidez :

1. Mesure. Quelle grandeur mesurer, et avec quel compteur ou capteur ?
2. Alimentation. L’appareil tire-t-il son énergie du circuit mesuré, d’une alimentation distincte ou d’une batterie ?
3. Trajet des données. Les lectures atteignent-elles le Gateway par radio, bus RS-485, Ethernet ou entrée impulsionnelle ?

Ces choix se contraignent mutuellement. Des transmissions fréquentes consomment davantage d’énergie de la batterie. Un terminal Zigbee ne relaie pas le trafic ; un appareil ne joue le rôle de routeur que si son implémentation le permet. Vérifiez son rôle et ses limites de transmission dans sa fiche technique. Le trajet des données ne change pas la mesure. La précision dépend du compteur et de ses transformateurs de courant (TC) : par exemple la classe 1 selon IEC 62053-21 ou la classe 0,5S selon IEC 62053-22 pour le compteur, et IEC 61869-2 pour les TC. De nombreuses fiches techniques donnent la classe du compteur seul ; l’erreur des TC s’y ajoute.

Comparer les travaux d’installation

L’installation du compteur et des TC est identique dans les deux colonnes. La différence porte sur le câble de données. Pour chaque point, comptez la longueur de câble et la canalisation, chaque gaine verticale ou paroi coupe-feu à reboucher, le port de commutateur et l’autorisation informatique d’un compteur Ethernet, l’accès hors horaires dans un bâtiment occupé et le temps de mise en service.

Un bus RS-485 se câble en chaîne. Un seul câble dessert jusqu’à 32 charges unitaires sur une longueur allant jusqu’à 1 000 m à 9 600 bauds avec un câble AWG 26 ou plus gros (guide de la ligne série Modbus). Le coût du filaire augmente donc davantage avec la distance entre les points qu’avec leur nombre. M-Bus (EN 13757), bus à deux fils de nombreux compteurs de chaleur et d’eau, est aussi partagé par tous les compteurs du câble. Ethernet demande un câble et un port de commutateur par compteur. Le calculateur de retour sur investissement du suivi énergétique confronte matériel et installation aux économies attendues.

Choisir le réseau selon les besoins

Zigbee fonctionne à 2,4 GHz ; tous les appareils d’un réseau partagent un canal à 250 kbit/s. Un rapport d’environ 60 octets occupe le canal environ 2 ms. Chaque saut ajoute environ 4 ms une fois pris en compte l’accusé de réception et l’attente aléatoire. Prenons 200 compteurs qui transmettent chaque minute sur trois sauts en moyenne : ils occupent environ 40 ms par seconde, soit 4 % du canal. Avec un rapport toutes les 5 secondes, le même réseau réclame environ 48 % ; un réseau CSMA-CA perd des trames bien avant la saturation complète. Gardez la plupart des points à une minute ou moins souvent et réservez une cadence plus rapide aux analyses qui l’exigent. Les appareils alimentés par le secteur jouent normalement le rôle de routeurs et relaient les messages voisins. Les appareils sur batterie fonctionnent normalement comme des terminaux sans fonction de routage. Le maillage s’étend donc avec les appareils alimentés et peut contourner un routeur en panne. L’acier est le principal obstacle : une enceinte métallique fermée contenant la radio peut bloquer totalement la liaison.

LoRaWAN utilise des bandes inférieures à 1 GHz (863 à 870 MHz en Europe) et une topologie en étoile. Chaque appareil communique directement avec une ou plusieurs passerelles LoRaWAN. La portée est longue, mais le temps d’occupation radio est limité. Les canaux EU868 par défaut appartiennent à des sous-bandes limitées à un rapport cyclique de 1 % selon ETSI EN 300 220-2. Un message de 10 octets utiles occupe environ 62 ms à SF7 et 1,5 s à SF12. Ces durées supposent une bande de 125 kHz, un codage 4/5, un préambule de huit symboles, un en-tête explicite, un CRC et 13 octets supplémentaires LoRaWAN. À SF12, l’appareil doit ensuite attendre environ 147 s avant de retransmettre dans cette sous-bande. Le réseau public Sandbox de The Things Network limite en plus chaque appareil à 30 s d’émission montante par jour, soit environ 20 lectures quotidiennes à SF12. Choisissez l’intervalle selon les réglages radio réels, les limites régionales et les règles du réseau. À SF12, un intervalle de 15 minutes ou d’une heure dépasse le quota Sandbox ci-dessus ; une émission par minute est impossible dans cet exemple SF12/1 %. Le guide Zigbee et LoRaWAN les compare en détail.

Un bus RS-485 interrogé a un pire cas calculable. Prenons 12 compteurs sur un bus à 9 600 bauds avec parité paire, soit 11 bits par caractère. Le maître lit 20 registres de chaque compteur en une requête. La requête de 8 octets dure 9,2 ms et la réponse de 45 octets 51,6 ms. Ajoutons 20 ms de réponse du compteur et un silence intertrame de 3,5 caractères (4,0 ms). Un échange prend environ 85 ms et le cycle complet environ 1,0 s. À 19 200 bauds, le cycle tombe à environ 0,63 s. Un compteur sans réponse coûte le délai entier à chaque tentative : avec un délai de 1 s et deux nouvelles tentatives, un compteur mort ajoute 3 s à chaque cycle. Le calculateur de durée Modbus RTU effectue ce calcul pour votre bus ; le guide de câblage RS-485 traite de la terminaison, de la polarisation et des adresses.

Quand une liaison tombe en panne

Définissez pour chaque point ce que les données doivent montrer en cas de coupure.

Le destinataire doit vérifier trois choses pour les données tardives : conserver l’heure de mesure et non celle d’arrivée (heures de la source et d’arrivée), supprimer les doublons lors d’une retransmission du tampon et recalculer les totaux par intervalle déjà publiés.

Testez chaque panne sur le site pilote : un appareil éteint, le Gateway redémarré et la liaison amont coupée au-delà de l’intervalle de transmission. Notez ce que montrent les données. Le guide du stockage des données distingue une lecture locale d’une lecture effectivement livrée.

Sécurité et association

Zigbee 3.0 chiffre le trafic réseau avec AES-128 sous une clé de réseau. Un nouvel appareil ne peut rejoindre le réseau que lorsque celui-ci autorise l’association. Ouvrez-la quelques minutes, associez un appareil, vérifiez ses données et refermez-la. LoRaWAN utilise des clés AES-128. OTAA dérive les clés de session lors de l’association ; ABP les configure à l’avance. Les rôles des clés des serveurs réseau et applicatif diffèrent : identifiez la méthode d’activation et le responsable de chaque clé et compte. Modbus RTU ne fournit ni authentification ni chiffrement. Un appareil capable d’injecter des requêtes valides peut tenter les lectures et écritures prises en charge par le serveur. Les registres d’entrée sont en lecture seule ; les registres de maintien peuvent être inscriptibles si l’appareil le permet. Contrôlez l’accès physique au câble et au Gateway.

Pour une liaison extérieure, la visibilité directe ne suffit pas à l’étude. Vérifiez la première zone de Fresnel autour du rayon direct à l’emplacement de l’obstacle. Calculez le dégagement après prise en compte du terrain et de la courbure terrestre ; végétation, réflexions et interférences demandent toujours une évaluation sur site.

Préparer le pilote

1. Listez chaque point avec sa mesure, son alimentation, son trajet de données et son intervalle de transmission.
2. Choisissez le lieu le plus difficile : chaufferie en sous-sol, tableau métallique, bâtiment éloigné. Un pilote en bureau ouvert ne montre pas le comportement du maillage derrière une dalle de sous-sol ou une porte métallique fermée.
3. Étudiez la radio aux vrais emplacements, portes des tableaux fermées. IEEE 802.15.4 exige une sensibilité de réception de −85 dBm ou meilleure à 2,4 GHz ; la plupart des circuits actuels atteignent environ −100 dBm. Gardez au moins 15 dB entre le signal reçu et la sensibilité du circuit, car les portes, les personnes et les stocks bougent. Les indicateurs de qualité de liaison sont relatifs et varient selon les circuits radio : n’acceptez pas la liaison sur une seule lecture. Comptez les rapports reçus et attendus pendant au moins 24 heures à l’intervalle définitif.
4. Mettez chaque point en service du conducteur jusqu’au rapport et testez les défaillances ci-dessus.
5. Notez les changements nécessaires avant déploiement et leur responsable. Le guide de choix d’un système de suivi énergétique transforme ces résultats en comparaison des fournisseurs.

La liste de contrôle de mise en service indique les preuves à conserver.

Filaire et sans fil avec EpiSensor

Le Gateway ZGW-20 exécute Edge et rassemble les deux types de données. Un Gateway prend en charge 250 appareils sans fil. Les appareils sans fil EpiSensor transmettent sur son maillage Zigbee. Ils sont séparés d’au plus 50 m à l’intérieur et 300 m à l’extérieur ; chaque appareil alimenté sur secteur ajoute en moyenne environ 1 000 m² de couverture. Le moniteur électrique ZEM est de classe 0,5S selon IEC 62053-22 pour l’ensemble compteur et capteurs de courant.

Edge lit les compteurs Modbus filaires par Modbus TCP ou RS-485 et interroge les équipements BACnet/IP sur le réseau du bâtiment. Les capteurs LoRaWAN arrivent dans Edge par un serveur réseau LoRaWAN. Si un compteur filaire est éloigné du Gateway, une interface Modbus ZMB interroge jusqu’à 30 de ses registres par une courte liaison RS-485 locale, puis les transmet par le maillage. Une interface M-Bus ZHM fait de même pour un compteur de chaleur M-Bus filaire.