Gazouiller avec désinvolture dans le monde de LoRaWAN

Alors que les communications sans fil sont incontestablement utiles dans les projets, les protocoles sans fil courants tels que le WiFi et le Bluetooth s’éteignent après seulement quelques mètres, ce qui est ennuyeux lorsque votre projet est installé au milieu de nulle part. Passer à une solution mobile basée sur LTE ou similaire peut aider avec la portée, mais cela n’aide pas lorsque la couverture cellulaire est faible et qu’elle a tendance à utiliser plus d’énergie. Heureusement, pour les réseaux étendus à faible débit et à faible consommation d’énergie (LPWAN) tels que les réseaux de capteurs, il existe une solution commune sous la forme de LoRaWAN, comme dans long-raréseau étendu (WAN) nge.

La technique propriétaire de modulation RF LoRa qui sous-tend LoRaWAN est basée sur Chirp Spread Spectrum (CSS). Cette technique de modulation est très résistante au bruit et à l’évanouissement du canal ainsi qu’au décalage Doppler, ce qui lui permet de transmettre en utilisant une puissance relativement faible sur de longues distances. LoRaWAN s’appuie sur la couche physique fournie par LoRa pour ensuite créer le protocole que les appareils peuvent ensuite utiliser pour communiquer avec d’autres appareils LoRa.

Avec l’aimable autorisation de la passerelle mondiale LoRaWAN et des fournisseurs de logiciels tels que Les industries des choses et ChoseParler, il est possible même en tant qu’amateur de mettre en place un réseau de capteurs alimenté par LoRaWAN à un coût minime. Examinons exactement ce qu’implique la configuration des appareils LoRaWAN et quelles alternatives possibles à LoRaWAN pourraient être envisagées.

Pas de déjeuner RF gratuit

Lorsqu’il s’agit de choisir le protocole de communication sans fil approprié pour un projet, il est essentiel de garder à l’esprit que l’on peut choisir deux des suivants : bande passante élevée, longue distance, longue durée de vie de la batterie. Cela est démontré par exemple par la rapidité avec laquelle un smartphone vide sa batterie lors de l’accélération de transferts de la taille d’un gigaoctet sur 5G mmWave, alors que Zigbee gère un dérisoire 250 kb/s, mais peut fonctionner pendant des mois sur une pile bouton, ou pour toujours en utilisant la récupération d’énergie. .

Comparaison du facteur d'étalement LoRa (Crédit : Sakshama Ghoslya)
Comparaison du facteur d’étalement LoRa (Crédit : Sakshama Ghoslya)

LoRaWAN a un débit de données dans le meilleur des cas (Adelantado et al., 2017) de quelques dizaines de kilobits par seconde, en fonction du facteur d’étalement (SF). Ici, le SF est essentiellement le rapport de la vitesse d’envoi du signal transmis : un SF plus élevé (jusqu’à 12) signifie une transmission plus lente et donc une bande passante plus faible (<1 kbps), mais avec une fiabilité accrue. Un SF inférieur (jusqu'à 7) signifie que le signal est transmis plus rapidement, donc avec une bande passante plus élevée, mais avec une possible perte de fiabilité.

LoRaWAN prend en charge les bits de parité, comme tous les cinq bits, et les terminaux LoRaWAN (« motes ») attendent généralement un accusé de réception de la passerelle afin de pouvoir retransmettre en cas de dépassement de délai. Même ainsi, selon l’environnement, des messages peuvent être perdus en raison d’interférences, d’obstructions et de moteurs concurrents qui envoient des données.

LoRa atteint ses performances longue distance comme mentionné en utilisant CSS, qui est une forme de signalisation à spectre étalé, mais différente du saut de fréquence (FHSS) ou du spectre étalé à séquence directe (DSSS), ce dernier sous-tendant Zigbee et certaines formes de WiFi (IEEE 802.11). Là où CSS diffère, c’est qu’il n’utilise aucun codage spécial, utilise une amplitude constante tout en modulant dans le domaine fréquentiel.

La signalisation LoRa peut ainsi être identifiée comme des « chirps » dans le spectre RF, qui augmentent en fréquence (« up-chirp ») ou diminuent (« down-chip ») dans une certaine bande, soit 125 kHz, soit 500 kHz. Ceux-ci peuvent être utilisés pour créer des symboles qui sont ensuite utilisés pour coder les trames LoRa, comme dans l’image ci-dessous.

Une séquence de communication LoRa, montrant les symboles distincts de chirp vers le haut et vers le bas.  (Crédit : Sakshama Ghoslya)
Une séquence de communication LoRa, montrant les symboles distincts de chirp vers le haut et vers le bas. (Crédit : Sakshama Ghoslya)

Dans cette séquence, nous voyons 8 symboles de préambule up-chirp qui identifient le début d’une trame LoRa, suivis de deux symboles de synchronisation down-chirp. Ceux-ci sont ensuite suivis du message de charge utile. La durée exacte de chaque symbole dépend du SF choisi.

Ajout de la zone étendue

Comme mentionné précédemment, LoRaWAN s’appuie sur des passerelles pour servir d’interface entre les appareils compatibles LoRa et l’Internet au sens large, traduisant LoRa en un protocole basé sur IP et vice versa. La société derrière LoRa (Semtech) couvre les détails derrière cela dans sa documentation. Cela inclut l’aspect sécurité de la transmission des données via LoRaWAN. En supposant que les terminaux sont configurés avec des clés de sécurité, tout le trafic entre un terminal et le serveur peut être entièrement authentifié et chiffré.

Disposition LoRaWAN de base.  (Crédit : Semtech)
Disposition LoRaWAN de base. (Crédit : Semtech)

Un autre aspect important des terminaux LoRaWAN est celui des classes d’appareils. Ici, trois classes distinctes sont identifiées, qui dépendent largement de leur budget de puissance :

  • classe A : il s’agit d’appareils qui se réveillent occasionnellement pour communiquer avec un serveur, transmettre des données, etc. Il peut s’agir par exemple d’un nœud capteur.
  • classe B : dispositifs qui interagissent avec un serveur à des intervalles définis, lui permettant également de répondre aux requêtes.
  • classe C : dans cette catégorie, l’appareil est toujours sous tension et toujours en communication.

Il suffit de le brancher

Carte de développement ST B-L072Z-LRWAN1 LoRaWAN/Sigfox.
Carte de développement ST B-L072Z-LRWAN1 LoRaWAN/Sigfox.

À ce stade, nous devrions avoir une idée claire de ce que la technologie derrière LoRaWAN implique et de ce qui est nécessaire pour mettre en place un LoRaWAN. Cela soulève la question de savoir d’où exactement nous obtiendrions une passerelle et les autres matériels requis. En supposant que nous ne cherchons pas à mettre en place une opération commerciale ici, il nous reste encore un certain nombre d’options simples pour commencer.

Essentiellement, la voie à suivre consiste à acheter des modules prêts à l’emploi pour se connecter à la plate-forme informatique ou de capteur de son choix et également créer votre propre passerelle, ou créer un compte avec l’un des LoRaWAN ouverts actifs dans la région cible.

Ici, en tapant « module LoRaWAN » dans le moteur de recherche de votre choix, vous obtenez un assortiment de choix, allant du SX1301 de Semtech aux offres de Murata ou l’une des dizaines d’alternatives, pouvant être obtenues en tant que CI à intégrer dans votre propre conception matérielle, en tant que module enfichable ou en tant que carte de développement complète (par exemple, basée sur STM32L0). Le meilleur choix dépendra principalement de la classe d’appareils et du fait qu’il s’agisse d’un appareil terminal ou d’une passerelle.

Avec cela trié, la question principale est probablement de savoir s’il faut ou non exécuter sa propre passerelle. Si oui, alors ThingSpeak (basé sur Ruby, GitHub) et The Things Stack (basé sur Go, GitHub) par The Things Industries sont deux options populaires. Si ce n’est pas votre cas, ou si la configuration de passerelles dans la zone où vous avez l’intention de déployer les appareils finaux n’est pas possible, vous inscrire pour utiliser le réseau ThingSpeak ou The Things Network est une option. Cela vient également avec des tableaux de bord en ligne, éliminant le besoin de tout matériel de serveur hébergé localement.

Pas le seul jeu en ville

Bien sûr, LoRaWAN n’est pas la seule option ici. Une autre option LPWAN courante est Sigfox, bien que sa portée parmi les amateurs soit à ce stade quelque peu limitée. DASH7 est un protocole ouvert intéressant, qui fonctionne exactement comme LoRaWAN dans des bandes sans licence. Semtech semble considérer DASH7 comme complémentaire de LoRaWAN, les débits de données plus élevés de DASH7 le rendant plus applicable à certains scénarios. Fait intéressant, Semtech note que des appareils hybrides LoRaWAN et DASH7 sont déjà en cours de déploiement.

L’idée derrière cela est que parfois DASH7 est plus efficace à utiliser car il peut effectuer une transaction plus rapidement avec sa bande passante plus élevée, alors que d’autres fois LoRaWAN finit par être plus économe en énergie. C’est un aspect qui est peut-être souvent négligé dans les comparaisons entre ces différentes technologies LPWAN.

Pendant ce temps, Wael Ayoub et al. (2018) identifient LoRaWAN, DASH7 et NB-IoT comme les trois principales normes LPWAN. NB-IoT (Narrowband IoT) a été développé par 3GPP, la première spécification ayant été gelée en 2016. Contrairement aux deux autres normes, NB-IoT utilise un spectre sous licence. NB-IoT et LoRaWAN présentent tous deux une gamme similaire, bien que NB-IoT ait l’avantage de fonctionner dans un spectre sous licence, ce qui signifie potentiellement moins d’interférences provenant des innombrables appareils grand public qui fonctionnent également dans ces bandes.

Emballer

De toute évidence, il existe plus qu’assez d’options pour les communications sans fil afin de répondre à un large éventail de besoins et d’exigences. Pour le moment, il semblerait que LoRaWAN soit le choix LPWAN évident pour les amateurs ainsi que pour les petits déploiements commerciaux, mais DASH7 pourrait avoir du sens si vous avez besoin de plus de bande passante.

La meilleure partie de tout cela est probablement la facilité avec laquelle même ceux qui ont un budget modeste se lancent dans des projets amusants qui impliquent de laisser des capteurs et des actionneurs dans une vaste zone, permettant des options intéressantes telles que l’automatisation et la surveillance de la ferme. Il sera difficile de dire comment les choses vont évoluer ici dans les années à venir, mais avec la façon dont le LPWAN semble imparable dans le cadre de la vague IoT, il est clair que les options augmenteront plutôt que de diminuer.