Le réseau LoRaWAN apparaît comme l’un des réseaux LPWA les plus prometteurs. Il permet aux dispositifs à contrainte énergétique distribués sur de vastes zones d’établir une connectivité abordable.
L’objectif de cet article est d’exposer une solution réalisable de conception et de mise en œuvre, permettant aux utilisateurs de créer facilement un réseau LoRa privé pour diverses applications IoT.
Présentation du réseau LoRa
En raison de ses caractéristiques techniques uniques, le réseau LoRaWAN a suscité une grande attention de la part des industries. LoRa fonctionne dans la bande ISM (Industrial Scientific and Medical) sans licence et offre une connectivité longue distance aux dispositifs de faible puissance.
Caractéristiques du réseau LoRaWAN
- Technologie sans fil exclusive développée par Semtech
- Longue portée et faible consommation d’énergie
- A une puissance de sortie de +14dbm, 868MHz
- Communication robuste
- Portée jusqu’à 5 km en milieu urbain, jusqu’à 15 km en banlieue
- Autonomie de la batterie de plus de 10 ans
- Insensible aux interférences des réseaux Wi-Fi, Bluetooth, GSM, LTE, etc.
- Amélioration de la capacité du réseau
- Connexion d’un plus grand nombre de nœuds : de 100 000 à 300 000 nœuds
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Architecture du réseau LoRaWAN
L’architecture d’un réseau LoRa est composée principalement de trois niveaux :
- Nœud et passerelle LoRaWAN
- Serveur de réseau LoRaWAN
- Serveur d’applications dans le Cloud
Nœud et passerelle LoRaWAN
Le nœud et la passerelle sont des composants fondamentaux de l’ensemble du réseau LoRa. Ils interagissent avec l’environnement en transmettant des données au serveur du réseau LoRa pour analyse.
Le nœud LoRaWAN comprend principalement des capteurs, des actionneurs, une batterie, etc., et exécute une ou plusieurs tâches en fonction des exigences des différentes applications.
La passerelle LoRaWAN sert, typiquement, de relais entre le nœud LoRa et le serveur du réseau LoRa sans aucune interprétation des charges utiles. Elle transmet tous les paquets radio en liaison montante au serveur après avoir ajouté des métadonnées (rapport signal-bruit, indicateur de force du signal reçu, etc.). Inversement, sur la liaison descendante, la passerelle LoRa exécute les demandes de transmission provenant du serveur.
Serveur de réseau LoRaWAN
Le serveur du réseau LoRa reçoit les paquets transmis par la passerelle, et est responsable de leur traitement et de l’analyse du protocole. Un grand nombre de fonctionnalités doivent être implémentées sur ce serveur. Par exemple, il vérifie la légitimité des appareils finaux, filtre les paquets de liaison montante en double, exécute les mécanismes de gestion du réseau, planifie les accusés de réception et transmet les données de la couche application au serveur d’application, etc. Une architecture bien conçue du serveur de réseau LoRa est importante pour un traitement efficace et une gestion pratique.
Serveur d’applications dans le Cloud
Le serveur d’application LoRaWAN est responsable du cryptage, du décryptage et du traitement des charges utiles de la couche application. Il peut prendre en charge diverses applications avec différentes méthodes de cryptage ou d’encodage, comme le tampon de protocole, pour assurer la sécurité des données et améliorer l’efficacité de la transmission.
Le Cloud fournit des services essentiels par le biais d’interfaces de programme d’application API, ensuite, les applications sont fournies aux utilisateurs. Le serveur d’applications LoRa fait office de passerelle entre le Cloud IoT et le serveur du réseau LoRa afin que les utilisateurs puissent contrôler les nœuds et profiter des applications du réseau, où qu’ils soient.
Conception et mise en œuvre d’un réseau LoRa privé
Conception et mise en œuvre du matériel
Le matériel du système LoRa comprend :
- Le nœud LoRaWAN
- La passerelle LoRaWAN
La conception du nœud LoRaWAN dépend des exigences spécifiques de son application.
En raison de la longue portée de la technologie LoRa, la passerelle LoRaWAN devrait couvrir des dizaines de kilomètres carrés dans un environnement donné. Il est, donc, nécessaire que la passerelle LoRa prenne en charge la communication multi-canal bidirectionnelle et qu’elle soit très sensible à la réception des signaux. Des interfaces riches et des performances de traitement élevées sont la garantie de l’évolutivité et de l’accès à grande échelle. En outre, la passerelle LoRa doit avoir une bonne capacité de résistance à l’eau pour permettre un déploiement à l’extérieur.
La passerelle LoRa se compose de quatre modules fonctionnels, à savoir :
- Le module contrôleur
- Le module de localisation
- Le module de gestion de l’énergie et
En plus, ses degrés de protection assurés par des boîtiers peuvent répondre aux exigences du niveau IP65.
Module contrôleur
Toutes les fonctions de contrôle sont implémentées dans le module contrôleur :
Carte Smart4418 : choisie en raison de ses bonnes performances. Elle utilise une unité de traitement informatique (CPU) Cortex A9 à quatre cœurs avec une mise à l’échelle dynamique de la fréquence jusqu’à 1,4 GHz et dispose de 1 Go de mémoire vive (RAM) et de 8 Go de carte multimédia intégrée (eMMC). De plus, la carte offre des interfaces de communication riches et avancées (jusqu’à 24 entrées/sorties générales (GPIO), 2 interfaces périphériques série (SPI) et Ethernet Gbps, etc.). Ces caractéristiques rendent la Smart4418 adaptée à la mise en œuvre d’une passerelle LoRa.
Afin de créer un environnement d’exécution ergonomique pour les logiciels, le système Debian basé sur le noyau Linux est utilisé dans le module contrôleur.
Module de communication
Afin d’obtenir une communication multi-canal bidirectionnelle et une excellente sensibilité du récepteur, le module de communication LoRaWAN se compose de deux émetteurs-récepteurs SX1255 et d’un processeur de bande de base numérique SX1301.
Le SX1255 est un émetteur-récepteur RF intégré et conçu pour fonctionner sur les bandes de fréquences 400-510 MHz. Après que les émetteurs-récepteurs SX1255 aient capturé le signal RF, les données sont concentrées dans le processeur de bande de base SX1301 via SPI.
Le SX1301 contient 8 voies de démodulation parallèles programmables pour le canal LoRa et est capable de démoduler simultanément jusqu’à 8 paquets. En outre, le schéma d’adaptation du débit de données (ADR) est pris en charge par la passerelle LoRa.
La passerelle LoRa dispose d’autres modules de communication, notamment Wi-Fi, LTE et Ethernet.
Module de localisation
Le module de localisation utilise le MAX-7Q d’U-blox pour la localisation et la synchronisation du temps. Le module peut fournir une précision de position de moins de 5 mètres avec une faible consommation et un temps de recherche court à partir du système de positionnement global (GPS). Les informations relatives au GPS sont transmises au module de contrôle par le port série, puis sont analysées selon les protocoles standards.
Module de gestion de l’alimentation
L’alimentation par Ethernet (PoE) est adoptée pour simplifier le déploiement de la passerelle LoRa. Le module de gestion de l’alimentation utilise le TPS54332D pour offrir des tensions de 3,3 V et 5 V aux différents composants.
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Conception et mise en œuvre du serveur de réseau LoRa
Dans le but de fournir une solution ouverte et flexible permettant à la fois aux utilisateurs de déployer facilement le réseau LoRa et de prendre en charge des nœuds LoRa massifs, nous proposons une architecture optimale du serveur de réseau LoRaWAN.
Conception du serveur de réseau LoRa
L’architecture du serveur de réseau LoRa est divisée en quatre modules, à savoir :
- Le connecteur
- Le serveur central,
- Le serveur de jonction
- le contrôleur de réseau.
Le connecteur
Le connecteur est le pont entre la passerelle LoRa et le serveur central, qui fournit les services d’analyse et de conditionnement de la charge utile en fonction de la spécification LoRaWAN. La passerelle LoRa se connecte à un connecteur donné par le biais d’un backbone IP et utilise UDP pour la transmission des paquets.
Tout d’abord, le connecteur effectue une vérification de la légitimité des nœuds LoRa et de la passerelle pour éviter tout accès non autorisé. De plus, l’analyse et le conditionnement d’un paquet nécessitent de nombreuses opérations de base de données. Séparer cette fonction du serveur de réseau traditionnel permet de répartir la pression de traitement et d’améliorer l’utilisation de toutes les ressources accessibles. D’autre part, les paquets associés au processus d’activation des nœuds LoRa sont ignorés et transmis directement au serveur central.
Serveur central
Le serveur central est responsable de la gestion des données et de la programmation des services. Différents modules sont programmés par le serveur central en fonction des exigences du traitement des données.
Selon le type de paquet de liaison montante, les informations contenues dans le paquet sont séparées dans des formats spécifiques afin de faciliter le traitement ultérieur. Ensuite, les données d’application originales sont introduites dans le serveur d’application, les commandes MAC sont envoyées au contrôleur de réseau et les paquets de jonction sont transmis au serveur de jonction.
Pour éviter le gaspillage des ressources radio dû à la redondance, le serveur central est essentiel pour filtrer les paquets en double. Un seul des paquets en double est introduit dans le module de traitement suivant. En outre, la responsabilité du serveur central inclut la programmation des paquets de liaison descendante.
Serveur de jonction
Les services fournis par le serveur de jonction comprennent le traitement des demandes d’activation et la génération des clés de session. Il existe deux méthodes d’activation des nœuds LoRa, à savoir l’activation par voie aérienne et l’activation par personnalisation.
Contrôleur de réseau
Les fonctions du contrôleur de réseau se concentrent sur le traitement et la gestion des commandes MAC. Les commandes MAC sont échangées entre le contrôleur de réseau et les nœuds LoRaWAN afin de modifier les configurations associées ou d’ajuster les paramètres de transmission.
Domaines d’application du réseau LoRaWAN
Le réseau LoRa est prometteur pour les applications IoT à longue portée, à faible consommation et à faible coût.
Smart City
Le réseau LoRaWAN constitue une solution fiable et réalisable pour diverses applications IoT dans les Smart Cities, telles que les compteurs intelligents et la gestion des déchets. De manière plus intelligente, les nœuds LoRa peuvent signaler automatiquement les données de détection et être contrôlés à distance via le réseau LoRa. Ces applications offrent la possibilité d’améliorer l’efficacité des opérations municipales et de réduire les coûts de maintenance.
Suivi des indicateurs environnementaux
Tels que la qualité de l’air, la température et l’humidité, et alerter sur des situations critiques (catastrophes naturelles et pollution de l’environnement, etc.). Compte tenu des exigences financières et énergétiques, il est approprié de mettre en œuvre un réseau avec la technologie LoRa sur de vastes zones géographiques. Les nœuds LoRa de faible puissance équipés de divers capteurs sont capables d’interagir avec l’environnement et transmettre des données au moment opportun pour détecter les problèmes avant qu’ils ne surviennent.
Soins de santé intelligents
Le faible coût et les performances fiables du réseau LoRa le rendent adapté aux applications typiques des soins de santé intelligents. Diverses informations biologiques sont collectées par des capteurs spéciaux placés sur le corps et peuvent être contrôlées à temps. On transmet tous les indicateurs anormaux aux prestataires de services de santé ou aux professionnels de santé par le biais du réseau LoRa pour la détection précoce et la prévention des maladies.
Agriculture intelligente
Les cas d’utilisation de l’agriculture intelligente basés sur LoRa, par exemple la surveillance de l’humidité des sols et l’irrigation autonome, ont un grand potentiel pour assurer une production agricole plus durable. Les caractéristiques de la technologie LoRa permettent d’utiliser des capteurs pour transférer les informations à analyser de la ferme vers le Cloud.
Conclusion
En raison de la couverture étendue et de la faible consommation d’énergie du réseau LoRa, diverses applications sont devenues possibles. Le système LoRa sous son architecture optimale peut supporter plus de 10 000 nœuds. Le réseau LoRa privé devrait offrir la flexibilité et la faisabilité nécessaires aux entreprises pour déployer leurs nouvelles applications LPWA.
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