Comment LoRaWAN aide à construire un Internet des objets moderne

LoRaWAN est une technologie qui gagne rapidement en popularité dans le domaine des solutions IoT. Dans le même temps, pour de nombreux clients, il reste mal compris et exotique, en raison de nombreux mythes et idées fausses qui l'entourent. En 2018, des amendements à la législation sur l'utilisation des fréquences LoRaWAN ont été adoptés en Russie, qui élargissent les possibilités d'utilisation de cette technologie sans licence. Nous pensons que c'est le meilleur moment pour commencer à utiliser cette technologie pour résoudre de vrais problèmes commerciaux.

Dans cet article, nous examinerons les principes de base de LoRaWAN, les options pour créer votre propre réseau et utiliser des fournisseurs tiers, et parlerons également de nos produits qui prennent en charge LoRaWAN.

Qu'est-ce que LoRaWAN

LoRaWAN est un ensemble de protocoles qui définissent les couches de transmission de données physiques et réseau pour les appareils de faible puissance et de faible puissance, fonctionnant sur de longues distances. L'abréviation LoRa signifie longue portée, c'est-à-dire de grandes distances de transmission de données, et WAN (Wide Area Network) signifie que le protocole décrit également la couche réseau.

Contrairement aux normes sans fil bien connues GSM / 3G / LTE / WiFi, LoRaWAN a été initialement conçu pour desservir simultanément un grand nombre d'appareils d'abonnés à faible consommation. Par conséquent, l'accent principal est mis sur l'immunité aux interférences, l'efficacité énergétique et la portée. Dans le même temps, les taux de transfert de données maximaux sont limités à seulement quelques kilobits par seconde.

Comme un réseau cellulaire, LoRaWAN possède des appareils d'abonné et des stations de base. La portée de communication de l'unité d'abonné avec la station de base peut atteindre 10 km. Dans le même temps, les appareils abonnés disposent généralement d'une batterie autonome et la plupart du temps sont en mode d'économie d'énergie, se réveillant occasionnellement pour un échange de données à court terme avec le serveur. Ainsi, par exemple, les compteurs d'eau peuvent se réveiller tous les quelques jours et transmettre la valeur actuelle du volume d'eau consommé au serveur, et le reste du temps, ils sont en mode veille. Cette approche vous permet d'obtenir des appareils qui fonctionnent jusqu'à plusieurs années sans avoir besoin de remplacer les piles. La tâche des appareils LoRaWAN est de transférer / recevoir les données nécessaires aussi rapidement que possible à partir de la station de base et de libérer l'air pour les autres appareils.Par conséquent, il existe des règles strictes sur le réseau pour le temps passé sur les ondes. Les appareils ne transmettent des données qu'après avoir reçu la confirmation de la station de base, ce qui vous permet de contrôler la charge en direct du serveur et de répartir régulièrement les sessions d'échange de données dans le temps.

La norme LoRa décrit la couche physique, la modulation du signal dans les gammes de fréquences 433 MHz, 868 MHz en Europe, 915 MHz Australie / Amérique et 923 MHz Asie. En Russie, la bande Lo685 MHz est utilisée pour LoRaWAN.

Comment fonctionne LoRaWAN

Puisque LoRaWAN opère dans la gamme sans licence, cela simplifie considérablement le déploiement de son propre réseau avec des stations de base, auquel cas vous n'avez pas besoin de dépendre des opérateurs de télécommunications. En plus de déployer votre propre réseau, vous pouvez utiliser les réseaux des opérateurs existants. Les fournisseurs LoRaWAN existent déjà dans le monde et ont récemment commencé à apparaître en Russie, par exemple, l'opérateur Er-Telecom propose déjà une connexion à son réseau LoRaWAN dans de nombreuses villes.

En Russie, LoRaWAN fonctionne généralement dans la gamme 866-869 MHz, la largeur de canal maximale occupée par une unité d'abonné est de 125 kHz. Voici à quoi ressemble l'échange de données en utilisant le protocole LoRaWAN sur le spectrogramme enregistré par l'utilisateur du hub Ruslan ElectricFromUfa Nadyrshin à l'aide de SDR.



Depuis 2018, la Russie a adopté des modifications aux lois qui réduisent considérablement les restrictions sur l'utilisation des fréquences de 868 MHz. Des détails sur les nouvelles réglementations législatives régissant les fréquences de LoRaWAN en Russie sont disponibles dans cet article .

Station de base - Dans la terminologie des normes LoRaWAN, elle est appelée passerelle ou concentrateur. Par objectif, cet appareil est similaire aux stations de base des réseaux cellulaires mobiles conventionnels: les appareils finaux y sont connectés et suivent ses instructions pour sélectionner les canaux, l'alimentation et les intervalles de temps pour la transmission des données. Les stations de base sont connectées à un serveur logiciel centralisé qui a accès à l'état de l'ensemble du réseau dans son ensemble, participe à la planification des fréquences, etc.
En règle générale, les stations de base LoRaWAN sont connectées à une alimentation fixe et disposent d'un accès Internet stable. Advantech propose plusieurs modèles de stations de base LoRaWAN de la série WISE-6610 avec une capacité de 100 et 500 unités d'abonnés et la possibilité de se connecter à Internet via Ethernet et LTE.

Périphérique d'abonné - un périphérique client de faible puissance, généralement avec une alimentation autonome. La plupart du temps est en mode veille, en mode d'économie d'énergie. Interagit avec un serveur d'applications distant pour transmettre / recevoir des données. Stocke les clés de chiffrement pour l'authentification sur la station de base et le serveur d'applications. Il peut être de l'ordre de plusieurs stations de base. Respecte strictement les règles de travail sur l'air reçues de la station de base. Les appareils Advantech WISE-4610 sont des terminaux d'E / S modulaires, avec diverses E / S analogiques et numériques et des interfaces série RS-485/232.


^{Le client peut déployer ses stations de base LoRaWAN ou utiliser les réseaux existants d'opérateurs tiers}

Réseau public LoRaWAN

Dans cette architecture, les appareils sont connectés au réseau public d'un opérateur tiers. Le client doit acheter uniquement des appareils d'abonné et conclure un accord avec le fournisseur, obtenir les clés pour accéder au réseau. De plus, le client dépend entièrement de la couverture de l'opérateur.
Il convient de garder à l'esprit que dans le réseau public LoRaWAN, il peut y avoir des restrictions strictes sur le temps d'antenne que l'appareil peut occuper.Par conséquent, pour les applications où un échange de données plus fréquent est nécessaire, ces réseaux peuvent ne pas convenir.
Avant d'envoyer des données, l'appareil demande l'autorisation de transmettre, et seulement si la station de base répond avec confirmation, l'échange aura lieu.


^{Lors de l'utilisation d'un réseau LoRaWAN tiers, le client utilise l'infrastructure de la station de base de quelqu'un d'autre et dépend de la couverture du fournisseur et de ses restrictions de transfert de données}

Cette approche est pratique, par exemple, lors du remplacement d'appareils d'abonnés dans les zones urbaines, où l'infrastructure nécessaire existe déjà. Par exemple, pour installer des capteurs dans des bâtiments résidentiels et avec une petite quantité de données transmises, pour collecter des données à partir de compteurs d'électricité ou d'eau. Ces appareils peuvent transmettre des données une fois tous les quelques jours.

Réseau privé LoRaWAN

Lors du déploiement d'un réseau privé, le client installe indépendamment les stations de base et planifie la couverture. Cette approche est pratique lorsque vous avez besoin d'un contrôle total sur le réseau ou sur des sites où il n'y a pas de couverture opérateur.


^{Dans un réseau privé, le client contrôle entièrement l'infrastructure}

Dans cette architecture, le client investit une fois dans des équipements pour le déploiement de stations de base et ne dépend alors plus de services et d'opérateurs tiers. Cette option convient à la construction d'un réseau dans des installations agricoles éloignées, la production, etc. Son propre réseau facilite la mise à l'échelle de l'infrastructure existante, l'augmentation de la couverture, le nombre d'appareils d'abonnés et la quantité de données transmises.

Bornes d'entrée / sortie d'abonné WISE-4610

Spécifications techniques

• Versions pour toutes les gammes de fréquences mondiales LoRaWAN
• Portée de communication avec la base jusqu'à 5 km
• Modules d'extension pour connecter des périphériques
• Batterie intégrée de 4000 mAh
• Module GPS (Galileo / BeiDou / GLONASS)
• Protection IP65
• Programmation USB

La série WISE-4610 est un terminal modulaire pour connecter divers périphériques au réseau LoRaWAN. Avec leur aide, vous pouvez collecter des données à partir de n'importe quels capteurs numériques et analogiques, tels que des thermomètres, des hygromètres, des baromètres, des accéléromètres, etc., contrôler d'autres appareils via des interfaces RS-232/485. Il a une batterie intégrée de 4000mA, qui peut fonctionner indépendamment pendant jusqu'à six mois. S'intègre aux panneaux solaires pour charger la batterie. Le récepteur GPS intégré vous permet de déterminer avec précision l'emplacement de l'appareil, ce qui simplifie la comptabilité et l'installation: les appareils peuvent être montés sans d'abord entrer dans la base de données, et après l'installation, ils sont automatiquement liés à l'objet en fonction des coordonnées reçues.

La programmation et la configuration sont effectuées via l'interface USB habituelle et ne nécessitent pas de contrôleurs et de programmeurs supplémentaires, elles peuvent donc être effectuées sur site à l'aide d'un ordinateur portable.

Modules d'interface

Un ensemble d'interfaces pour connecter des périphériques externes au WISE-4610 est implémenté à l'aide de modules d'interface qui se connectent par le bas. Un terminal WISE-4610 peut connecter un module d'interface. Selon les tâches du client, il peut s'agir d'entrées / sorties numériques ou analogiques ou d'interfaces série. Les contacts d'interface sont protégés par un connecteur étanche à l'air avec une connexion filetée M12.

• WISE-S614-A - 4 entrées analogiques et 4 entrées numériques
• WISE-S615-A - 6 canaux pour thermomètre de type RTD (Resistance Temperature Detector)
• WISE-S617-A - 6 entrées numériques, 2 interfaces série RS-232/485

Capteur Wzzard série LRPv2

Les capteurs de la série BB Wzzard LRPv2 sont des unités d'abonné LoRaWAN conçues pour collecter des données dans des conditions difficiles et conçues pour une installation rapide. Ils ont une base magnétique et peuvent être montés en toute sécurité sur des surfaces métalliques sans attaches supplémentaires, ce qui vous permet de déployer rapidement un réseau de plusieurs appareils. Un connecteur d'interface étanche, situé sur le côté, est conçu pour connecter des périphériques externes et des capteurs.



Spécifications techniques

• Fonctionne dans toutes les gammes de fréquences de LoRaWAN 868/915 / 923 MHz
• Support magnétique sur surface métallique
• Interfaces RS485 (Modbus), 4 entrées analogiques, 2 sorties numériques, 1 sortie numérique
• Connexion du câble d'interface étanche
• Fonctionnement à partir de 2 piles au lithium AA, de panneaux solaires ou d'une alimentation 9 ~ 36V
• IP66
• Fonctionnement à -40 ~ 75 ° C

Stations de base LoRaWAN WISE-6610

Advantech propose une gamme complète d'appareils pour déployer le réseau privé de LoRaWAN. Les passerelles de la série WISE-6610 sont utilisées pour connecter des appareils d'abonné, tels que WISE-4610 et Wzzard LRPv2 , et transférer des données vers le serveur d'applications. La gamme contient des modèles qui prennent en charge simultanément la connexion de 100 et 500 appareils d'abonnés. La passerelle est connectée à Internet via Ethernet; des versions avec modem 4G intégré sont également disponibles. Prise en charge des protocoles MQTT et Modbus pour le transfert de données vers le serveur d'applications.



Spécifications techniques

• Prise en charge de toutes les gammes de LoRaWAN
• Service simultané de 100 ou 500 unités d'abonnés
• Connexion Ethernet
• En option: modem LTE intégré
• Serveur / client VPN intégré

Conclusion

La technologie LoRaWAN attire à juste titre beaucoup d'attention dans l'environnement des solutions industrielles, et aujourd'hui il est déjà possible de résoudre efficacement de nombreux problèmes commerciaux. Mais pour la plupart des clients, LoRaWAN est encore une technologie peu connue et obscure. Nous pensons que dans un avenir proche, il sera aussi répandu que les réseaux cellulaires classiques, ce qui permettra à nos clients de mettre en œuvre plus facilement des solutions autonomes d'Internet des objets.