Raspberry Pi pour l’industrie : une bonne idée ?

par Benjamin Vincent, Embedded Software Developer

Avec plus de 25 millions d’exemplaires vendus, Raspberry Pi est le plus célèbre des « nano-ordinateurs ». Cette plateforme de développement ouverte permettant de programmer des prototypes dans l’industrie pour environ 35 € s’appuie sur une solide communauté de passionnés. Depuis la commercialisation en 2012 du Raspberry Pi, il a principalement été plébiscité par le monde de l’éducation et par un public de « bricoleurs-amateurs ».

Quelles sont les limites des cartes Raspberry Pi ? Existe-t-il des solutions adaptées à l’industrie ? Voici quelques éléments de réponse selon Rtone, vous proposant une alternative de Raspberry Pi pour industriels.

Les limites de Raspberry Pi pour l’industrie

L’objectif initial du développement du Raspberry Pi était de rendre la programmation informatique accessible à un large public.

Un manque de pérennité

Dans ce contexte « grand public », la disponibilité des cartes rentre donc assez peu en ligne de compte. À titre d’exemple, la production des Raspberry Pi 3 Model A+ et B+ a commencé en 2018 et est garantie jusqu’en janvier 2023.

Ces modèles sont ainsi incompatibles avec le lancement d’une production industrielle à grande échelle, car :

• Un projet industriel nécessite au minimum 2 ans d’études avant le lancement d’un produit, ce qui laisse seulement 3 ans de production au maximum ;
• Il n’y a aucune garantie du nombre de cartes disponibles.

Une gestion de la température perfectible

Les processeurs des Raspberry Pi ont l’inconvénient de chauffer et ne sont pas optimisés pour la dissipation de chaleur, bien qu’ils soient robustes. Les environnements industriels présentent souvent des températures élevées, ce qui peut causer des problèmes importants étant donné que la dissipation thermique des Raspberry Pi est limitée.

Le modèle 4 du Raspberry Pi a vu ses performances fortement augmentées, ce qui a amplifié le phénomène de chauffe. Étant donné que sa dissipation thermique est limitée, les concepteurs ont dû développer des patchs logiciels pour réduire la consommation électrique et ainsi minimiser les pertes thermiques du Raspberry Pi.

Cette optimisation logicielle n’élimine pas l’intérêt d’ajouter des ventilateurs pour limiter ces échauffements.

Un support corruptible : la carte SD

Sur un Raspberry Pi, le système d’exploitation (Linux) et les applications sont stockés sur carte SD. Or, les cartes SD sont assez peu adaptées au contexte industriel, car la mémoire flash est facilement corruptible. La moindre coupure de l’alimentation électrique pendant le cycle d’écriture peut provoquer des erreurs et rendre le système inopérant.

De plus, le support SD n’est pas un format qui convainc dans le secteur industriel par sa mécanique. En effet :

• Les contraintes vibratoires présentent un risque supplémentaire car elles peuvent interrompre les connexions entre le lecteur et la carte.
• Le fait de pouvoir retirer facilement la carte SD ajoute un deuxième risque.

L’absence de RTC dans les Raspberry Pi

Les automates industriels ont besoin d’une horloge pour effectuer des tâches programmées à des moments précis, c’est pourquoi ils sont équipés d’un bloc électronique appelé RTC (Real Time Clock). De plus, pour des raisons de sécurité, il se peut que ces automates ne soient pas connectés à Internet.

Ce bloc permet à l’aide d’un oscillateur à basse fréquence et à faible dérive temporelle de déterminer l’heure de manière assez fine (en général, la dérive s’estime à quelques secondes par an) et d’en assurer sa rétention grâce à sa très faible consommation énergétique garantie par une pile offrant une autonomie de plusieurs années.

Les Raspberry Pi n’en disposant pas, doivent se contenter d’une heure avec une précision toute relative qui dérive de plusieurs dizaines de minutes par an. Lorsque le Raspberry Pi est éteint, l’horloge interne de l’appareil n’est plus alimentée et ne peut donc plus maintenir une précision temporelle. En effet, à son redémarrage, le micro-ordinateur repartira à l’heure à laquelle il s’est éteint.

Il existe la possibilité d’utiliser un service NTP (Network Time Protocol) qui permet d’interroger un serveur pour synchroniser l’heure locale, mais cela demande une infrastructure spécifique dans un environnement industriel (serveur NTP local ou distant via Internet).

Perturbations et failles de sécurité potentielles

Enfin, les Raspberry Pi sont initialement conçus pour favoriser le développement de projets personnels ou scolaires. Ils intègrent donc beaucoup de connecteurs et d’entrées/sorties afin de multiplier les possibilités.

Lorsqu’un projet est en phase « prototype », cette caractéristique est bien évidemment intéressante. Néanmoins, dans un contexte industriel, 2 problèmes se posent :

• Le nombre de failles de sécurité augmente en proportion du nombre d’entrées/sorties, il est donc important de limiter ces dernières
• les connecteurs libres, des Raspberry Pi, sont autant d’antennes capables de capter des signaux électromagnétiques. Le contexte industriel comporte de nombreuses perturbations électromagnétiques en raison du grand nombre de machines présentes. Une conséquence de ce phénomène peut être un dysfonctionnement du système suite à un comportement chaotique de l’électronique.

Le Raspberry Pi Compute Module 3 : une solution conçue pour l’industrie

Comme nous l’avons mentionné précédemment, le Raspberry Pi avait jusqu’à présent un potentiel d’utilisation industrielle assez limité.Malgré les limites initiales du Raspberry Pi pour une utilisation industrielle, la Fondation Raspberry Pi et son cofondateur Eben Upton ont persévéré.

Ils ont finalement développé une version améliorée, spécialement destiné aux industriels : Raspberry Pi Compute Module 3

Caractéristiques du Compute Module 3

Cette nouvelle version destinée à l’industrie se trouve sous la forme d’un module Raspberry Pi que l’on branche sur une carte mère. Voici les principaux avantages du Raspberry Pi Compute Module 3 par rapport aux versions grand public :

• Plus de flexibilité et de modularité ;
• Un processeur au moins 10 fois plus puissant que sur la version précédente ;
• 2 fois plus de mémoire vive ;
• Mémoire eMMC intégrée. Carte SD en option ;
• Le format SODIMM qui permet d’intégrer le module sur une carte mère ou un automate ;

Les circuits et cartes mères compatibles

Les cartes équipées d’un port SODIMM prévu à cet effet sont compatibles avec les modules. Ces cartes peuvent revêtir bien des formes et êtres :

• Développées spécifiquement par un industriel pour une application particulière ;
• Des cartes génériques. De nombreux acteurs conçoivent des architectures capables d’intégrer ces Raspberry Pi Compute Module 3 et de combler certaines lacunes qui peuvent subsister.

Ces options sont potentiellement nombreuses :

• Bloc électronique RTC, pour la gestion du temps ;
• Système de gestion de température ;
• Alimentations plus robustes ;
• Blindage électromagnétique ;
• L’intégration de protocoles de communication comme le Modbus ;
• L’ajout de ports industriels classiques tels que RS232/485 ;

Révolution Pi : un PC industriel modulaire

Les acteurs désireux d’intégrer directement des modules Raspberry Pi dans leur industrie peuvent se tourner vers les PC industriels modulaires de la gamme « Revolution Pi » certifiés EN 61131-2 et IEC 61131-2.

Ces machines au format slim DIN-rail, intègrent tout le nécessaire permettant d’implémenter vos projets IIoT et sont disponibles jusqu’en 2026.

Avec de nouveaux produits qui semblent combler les lacunes de Raspberry Pi, son arrivée sur le marché industriel est à présent une réalité.