L’Internet des Objets

L’Internet des Objets – IoT

La technologie LoRaWAN dans le secteur professionnel

L’utilisation de la technologie LoRaWAN est très variée dans le monde. Elle peut toucher tout autant le secteur du bâtiment, de capteurs sur les lieux publics. Elle peut aussi être utilisée dans le secteur agricole ou voir même dans le contexte de la Covid-19 pour notamment les traqueurs de proximité.

Bâtiment intelligent

Dans le secteur du Smart Building ou bâtiment intelligent, il y a plusieurs cas où des appareils LoRa peuvent être utiles à implémenter. En effet, ces appareils peuvent être utilisés comme des capteurs de présences ou capteurs d’utilisation de porte. Dans le cadre d’un bâtiment universitaire, ces capteurs serviraient par exemple de vérifier si une classe est actuellement occupée et pourrait envoyée l’information à un serveur gérant tous ces appareils. Nous aurons ainsi la possibilité d’avoir une vision globale de l’utilisation de chaque salle. Des capteurs de mouvements peuvent servir à analyser le flux de passage dans le bâtiment, qui pourrait être utile dans le cadre d’une pandémie tel que le Covid-19. Les données récupérées peuvent permettre d’obtenir des statistiques et ainsi établir des solutions en se basant sur ces résultats. Il est aussi possible de surveiller le système d’électricité, d’eau ou d’autres éléments du bâtiment à distance pour déceler d’éventuel dysfonctionnement. De nombreuses entreprises proposent des solutions LoRa dans le smart building dont Naxoo avec leur système SHERPA.

Agriculture

Dans le domaine de l’agriculture, les appareils LoRa peuvent être utilisés comme capteurs d’environnement. La portée élevée des appareils permet un répartissement plus facile sur un grand terrain tout en gardant la communication avec le serveur LoRaWAN. Les mesures de débits d’eau ou d’irrigation sont de petites données et peuvent donc être transmis par LoRa.
LoRa peut aussi être utilisé dans le traçage de positions des bétails. En effet, des capteurs de positions placés sur des vaches peuvent transmettre les positions à intervalle régulier vers un serveur LoRaWAN. Il devient alors intéressant dans des régions où les connectivités sont peu présentes et où il y aurait une nécessité de suivi du bétail.

Ville intelligente

Le smart city est aussi un marché en plein essor dans les grandes villes. En effet, ces dernières déploient de plus en plus de capteurs dans la ville. Il existe par exemple des capteurs de détection de véhicule. L’entreprise franco-suisse IEM propose notamment PrestoSense qui est un capteur qui peut être posé au sol des places de parking en ville et ainsi connaître en temps réel leur occupation. Nous pouvons voir en temps réel l’utilisation des parkings publics dans certaines rues équipées de ces appareils. Il y a aussi la possibilité d’utiliser des capteurs de la qualité d’air avec une transmission LoRa.

La technologie LoRa

Long Range ou LoRa dans son diminutif est un protocole de liaison sans fil à faible consommation développé par l’entreprise Semtech. LoRa utilise une modulation qui permet une communication à longue portée entre des appareils pourvus de ce protocole pouvant aller à plusieurs kilomètres. LoRa est la communication entre deux nœuds LoRa ou un nœud LoRa et une passerelle. LoRaWAN est l’architecture permettant à des nœuds de communiquer avec un serveur LoRaWAN. Le nœud utilise le protocole LoRa pour le type de modulation. Si nous nous basons sur le modèle OSI, nous pouvons donc observer que LoRa correspond à la couche physique et LoRaWAN à la couche de liaison de données.
LoRa utilise des fréquences libres de transmissions qui sont différentes selon les régions du monde : 868MHz en Europe et 915MHz aux Etats-Unis et 433MHz en Asie. Le type de signal radio émis est l’étalement de spectre sous la forme d’un Compressed High Intensity Radar Pulse (CHIRP). Cette modulation est composée de deux paramètres supplémentaires pour définir la transmission. En premier lieu, il y a la largeur de la bande passante. LoRa utilise des largeurs de bandes passantes à 125kHz, 250kHz et 500kHz.
Le second paramètre est le Spreading Factor (SF) ou le facteur d’étalement du spectre. Le paramètre de facteur va de 7 à 12. Un SF élevé permet d’envoyer à plus longue portée, mais en échange le débit envoyé est bien plus faible. Avec un SF élevé, les données envoyés devront alors avoir une taille plus faible et le récepteur aura plus de possibilité de capter le message. Il est donc important de déterminer quel type de SF nous voulons utiliser selon la situation donnée. Dans le cas d’appareils LoRa qui se trouvent à plusieurs kilomètres de distance, il convient par exemple d’utiliser un SF élevé pour éviter des pertes de paquets. Le temps de transmissions est aussi plus grand.

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Table des matières

1. Introduction
2. L’Internet des Objets – IoT
2.1 Définition
2.2 Low Power Wide Area Network
2.2.1 NB-IoT
2.2.2 Sigfox
2.2.3 LoRaWAN
2.3 La technologie LoRaWAN dans le secteur professionnel
2.3.1 Bâtiment intelligent
2.3.2 Agriculture
2.3.3 Ville intelligente
3. La technologie LoRa
3.1 LoRaWAN
3.2 Structure du réseau LoRaWAN
3.2.1 Appareils LoRa
3.2.1.1 Les différentes classes
3.2.1.1.1 Classe A
3.2.1.1.2 Classe B
3.2.1.1.3 Classe C
3.2.2 Gateway – Passerelle
3.2.3 Network Server
3.2.4 Application Server
3.3 Sécurité et authentification
3.3.1 Clés de sessions
3.3.1.1 Network Session Key
3.3.1.2 Application Session Key
3.3.1.3 DevAddr
3.3.2 Connexions et activations des appareils
3.3.2.1 Activation by personalization
3.3.2.2 Over the air activation
3.4 Réseaux LoRaWAN disponibles
3.4.1 Swisscom
3.4.2 The Things Network
3.4.3 The Things Stack
3.4.4 ChirpStack
3.4.5 Avantages et inconvénients
4. Mise en place d’un réseau LoRaWAN
4.1 Choix des installations
4.1.1 Détails de l’installation
4.1.2 Matériels utilisés
4.1.2.1 Gateway RAK7246 (Concentrator RAK + Raspberry Pi Zero W)
4.1.2.2 Arduino MKR WAN 1310
4.1.2.3 Heltec LoRa 32
4.1.3 Type de connexions des appareils au réseau
4.1.4 Programmation
4.1.4.1 Site web de démonstration
4.1.4.2 Broker MQTT et API
4.2 Infrastructure des réseaux
4.3 The Things Network (réseau public)
4.3.1 Implémentation du réseau
4.3.1.1 Mise en place de la passerelle
4.3.1.2 Configuration de la passerelle
4.3.1.3 Enregistrement de la passerelle sur TTN
4.3.1.4 Appareils LoRa
4.3.1.5 Connexion d’un appareil Lora
4.3.1.6 Décodage du payload
4.4 ChirpStack (réseau privé)
4.4.1 L’installation
4.4.2 Configuration des appareils
4.5 Implémentation du site web
4.5.1 Backend – Express JS
4.5.1.1 MQTT
4.5.1.2 Modèles et Base de données MySQL
4.5.1.3 L’implémentation
4.5.2 Interface web
4.6 Observations
4.6.1 Maintenance et améliorations des serveurs
4.6.2 Portée des appareils
4.6.3 Problèmes survenus
5. Conclusion
6. Bibliographie
Annexe 1 : Tutoriel d’installation du réseau The Things Network
Annexe 2 : Tutoriel d’installation du réseau ChirpStack
Annexe 3 : Configuration de l’Arduino MKR 1310
Annexe 4 : Configuration de l’Heltec LoRa 32 V2
Annexe 5 : Base de données utilisée