Comparaison de HomePlug, Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee

Introduction

  L’énergie est un élément essentiel du développement de la société, par conséquent, l’exigence envers l’énergie augmente continuellement jusqu’à présent. Pourtant, à cause du développement excessif, le déficit énergétique est devenu un problème considérable et mondial. Aussi, le réchauffement climatique, l’accroissement des émissions de gaz à effet de serre et les autres problèmes environnementaux conduisent les gouvernements et utilités électriques à déployer des efforts vers l’exploitation des énergies renouvelables, ainsi que l’amélioration du système de transport et de distribution d’énergie, pour accroître leurs efficacités et les flexibilités [1]. Toutes les demandes réunies ont stimulé l’émergence du concept des Réseaux Intelligents (plus connu sous le nom de Smart Grid). Le réseau intelligent fonctionne avec les technologies numériques et d’information et fournit un moyen plus moderne de déployer les techniques de la consommation dénergie. Il tend à remplacer le réseau traditionnel [2].Le réseau intelligent, par rapport au réseau traditionnel, assure un flux bidirectionnel délectricité et d’information qui permet aux consommateurs daccéder aux produits d’électricité et de communiquer avec les services dutilité publique. Par exemple, un réseau qui emploie la notion de Gestion de la Demande Locale (DSM, en anglais Demand Side Management) peut réduire le pic de la demande dénergie jusqu’à 17% [3] . D’un côté, les électroménagers qui ont la capacité de communication construisent un HAN (pour Home Area Network), d’autre côté, il faut que lutilité et le HAN communiquent ensemble et s’envoient des messages [4]. Par conséquent, les développeurs sont confrontés à quelques défis quant à la communication: 1) le choix de la meilleure technologie de communication pour les appareils dans la maison; 2) la coordination et le contrôle des appareils intelligents; 3) la communication bidirectionnelle complexe entre les HAN et les utilités. Ces trois points seront abordés dans le contenu de ce mémoire.

L’architecture d’un REMS

  Un REMS est formé par plusieurs parties. Normalement, les cinq composants suivants sont présents dans un REMS [6]. Une architecture typique est présentée à la figure 2.1.
• Capteurs: un REMS peut intégrer plusieurs capteurs qui possèdent différentes fonctions, par exemple les capteurs pour détecter la température, le courant, la lumière, ou l‘humidité… Les capteurs envoient les données détectées à un système central, les appareils intelligents peuvent alors être gérés en se basant sur ces données.
• Appareils de mesure: le plus souvent, dans une maison, il existe des compteurs d’électricité, d’eau, de gaz. Le système de mesurage avancé, connu sous le nom de AMI (Advanced Metering Infrastructure), qui contribue à recueillir les informations de consommation, analyse les données, donne la communication entre l’utilité et la maison, et la facture en temps-réel.
• Appareils intelligents : un appareil intelligent se distingue des simples appareils par ses capacités de communication et ses caractéristiques programmables; il peut être surveillé et contrôlé à distance. il est plus efficace, et commode pour aider le client à prendre de bonnes habitudes dans l’utilisation de l’énergie, et à économiser l’énergie.
• Technologie de communication: les technologies de communication, soit avec fil, soit sans fil, ce sont les conditions nécessaires pour créer un réseau local, ainsi que pour communiquer entre les capteurs, les mesures, les appareils intelligents, et les autres dispositifs qui peuvent communiquer.
• Le système de la gestion d’énergie
: ce système fournit une interface qui est une plate-forme pour les clients afm de surveiller le REMS, d’envoyer les commandes à une destination désignée. Un logiciel est incorporé pour gérer le REMS par le programme spécifique

Les avantages d’un REMS

  Les avantages d’un REMS concernent deux aspects: à court terme et à long terme. Pour le court terme; les consommateurs sont les bénéficiaires qui profitent du REMS directement. Tout dabord, un REMS permet aux consommateurs de réduire les coûts dénergie. Selon la recherche de [10], la facture en temps-réel aide les gens à diminuer leur dépense de consommation de 5 % à 15 %. D’ailleurs, un moyen plus pratique est offert pour gérer les électroménagers. Avec les appareils intelligents, les consommateurs peuvent les contrôler à distance, et ils fonctionnent même automatiquement, basés sur le programme incorporé. Le système de monitoring assure que tous les appareils sont bien fonctionnels, et il garantit la sécurité de la maison. De plus, par la fonction «contrôle des charges dans REMS », les consommateurs qui suivent la grille tarifaire réglementée (GTR) ou les tarifs différenciés dans le temps (Time-of-Use rates: TOU) peuvent facilement éviter le pic de la charge [11] .À long terme, d’abord, un REMS est respectueux de l’environnement. Moins la consommation d’énergie est élevée, moins il y aura démission de gaz à effet de serre. Il peut être prévu que le REMS minimisera grandement la pollution de l’environnement et, dans une certaine mesure, il préservera les ressources non renouvelables à l’avenir. Et puis, il est possible dinfluencer la chaîne de valeur dexigence d’énergie [12] .

Architecture de SEP2.0 et les technologies supportées dans la couche d’application

  Ce protocole dapplication est conçu pour limplémentation de l’architecture REST, qui est largement utilisée à déployer un service de web sur HTTP (Hypertext Transfer Protocol).Le protocole HTTP définit la communication entre les différentes parties du web, alors que l’échange repose sur les requêtes client et serveur. Le serveur est celui qui expose une ressource à un client et le client est celui qui a des interactions avec la ressource. Ce module client/serveur contient les opérations de GET, HEAD, PUT, POST, et DELETE vers les ressources. Les opérations sont encodées par XML et/ou EXI, les ressources réfèrent aux objets qui opèrent via l’interface de RESTful et qui sont capables d’utiliser l’adressage URI (Unifonn Resource Identifier). Considérant la flexibilité et l’extensibilité de réseau, les URI des clients ne sont pas fixés pour tous les serveurs. Si un URI répond à un résultat inattendu, le client doit recommencer à chercher un nouvel URI. D’ailleurs, linterface de RESTful est définie par WADL (Web Application Description Language) [51]. Parce que HTTP prend TCP comme protocole de trap.sport, TCP fournit l’assurance de distribution et gère la session de fenêtrage [51]. Afm de pennettre aux appareils dans le réseau d’être trouvés automatiquement par les serveurs, le service xmDNS est utilisé par la porte de TCP. Par exemple, la passerelle peut découvrir automatiquement tous les appareils actuels et nouveaux dans le réseau local [54]

Processus de développement de l’application Web

  Une application permettant de contrôler une résidence intelligente consiste en au moins deux grandes parties: un programme qui s’exécute dans la passerelle et un programme pour l’interface Web; la relation entre eux est de type serveur – client.Le programme exécuté dans la passerelle permet la transmission de l’information ou de commandes entre les dispositifs intelligents et l’ordinateur hôte. Les fonctions principales de ce programme sont lobtention des informations des dispositifs intelligents; détection ladresse IP des clients qui essaient de se connecter à la passerelle; transmission de linformation au client et à envoyer la commande du client aux dispositifs de contrôle (prise intelligente). Certaines technologies et certains outils permettent de réaliser cette partie,comme ESP et socket, qui sont abordés dans la section 5.2. Il est à noter que le lien entre la passerelle et lordinateur hôte est l’adresse IP et non pas ladresse MAC.À part le programme principal, un autre programme subalterne est enregistré dans la passerelle. Ce programme subalterne génère et renouvelle une liste d’adresses des dispositifs ZigBee connectés, car le nombre de dispositifs est incertain dans les cas réels. Le programme principal de l’application acquiert les informations des dispositifs dans la liste, et la passerelle surveille toujours les connexions des clients. Évidemment, il est probable que plus dun client essaie de se connecter à la passerelle en même temps; ainsi, afm de gagner du temps et de l’espace, les processus doivent être asynchrones. Pour la programmation en Python, la fonction « select» du module « select» est disponible pour réaliser les communications asynchrones. La structure de « select» est: select.select (rlist, wlist, xlist[, timeout]) [66]. Les trois premiers paramètres sont essentiels, ils repensent respectivement les listes de l’objet à lire, lobjet à écrire et l’objet avec exception. Le dernier paramètre réfère le temps d’attente [66]. La passerelle doit lire les données des dispositifs XBee et les commandes des clients; si un dispositif XBee reçoit une  commande, il doit être mis dans la liste « wlist » et lorsqu’un client est connecté, il est être écrit avec les informations de dispositifs XBee. Par conséquent, les deux listes «rlist» et «wlist» incluent toutes deux la liste du dispositif XBee et la liste des clients connectés par Tep. La figure 5-14 décrit généralement l’organigramme de programmation de cette partie qui s’exécute sur la passerelle.

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Table des matières

Résumé
Remerciements
Table des matières

Liste des tableaux
Liste des figures

Liste des symboles

Chapitre 1 – Introduction

1.1 Contexte et objectifs
1.2 Méthodologie
1.3 Structure du mémoire

Chapitre
2 – REMS (Home Energy Management System)
2.1 L’architecture d’un REMS 

2.2 Les avantages d’un REMS

2.3 L’importance de passerelle pour HEMS
2.4 Conclusion
Chapitre 3 – Comparaison de HomePlug, Wi-Fi, Bluetooth, Z-Wave, ZigBee

3.1 Communication par courants porteurs en ligne: HomePlug
3.1.1 HomePlug Green PHY
3.1.2 Produits commerciaux disponibles dans la technologie HomePlug
3.2 Wi-Fi 17
3.2.1
Wi-Fi CERTIFIED n
3.2.2
Produits commerciaux disponibles dans la technologie Wi-Fi
3.3
Bluetooth 
3.3.1 Bluetooth 4.0 + (ou Bluetooth Smart; Bluetooth Low Energy) 
3.3.2 Produits commerciaux disponibles dans la technologie Bluetooth
3.4 Z-Wave 
3.4
.1 Les caractéristiques de Z-Wave
3.4.2
Produits commerciaux disponibles dans la technologie Z-Wave
3.5
ZigBee 
3.5.1 Caractéristiques du protocole ZigBee
3.5.2 Produits commerciaux disponibles dans la technologie ZigBee

3.6
Comparaison des protocoles de communication pour le système de gestion locale 
3.7 Conclusion
Chapitre 4 – Smart Energy Profile 2.0 (SEP2.0)
4.1 Introduction au SEP2.0

4.2 Architecture de SEP2.0 et les technologies supportées dans la couche d’application

4.3 La sécurité
4.4 Ressource

4.5 Les fonctions principales

4.6 Conclusion

Chapitre 5 – L’application d’interopérabilité de la gestion d’énergie résidentielle

5.1 Matériel utilisé 

5.2 Construction d’un réseau ZigBee pour contrôler la température d’une chambre 

5.2.1 L’environnement de programmation — ESP 

5.2.2 L’interface web locale pour la configuration des dispositifs -XBee 

5.2.3 La programmation de l’application

5.3 Construction d’un réseau ZigBee-SE 

5.4 Développent d’une application pour la gestion locale avec ZigBee 

5.4.1 Structure du réseau pour l’application

5.4.2 Processus de développement de l’application Web
5.4.3 Le résultat de l’expérimentation du développement d’une application web

5.5 Conclusion

Chapitre 6 – Conclusion

Bibliographie

Annexe A
Manuel d’utilisation 
Annexe B
Code Source des Expérimentation

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