Comment faire décoller la détection IoT sans fil à faible consommation avec les modules RF LPWAN

Lorsqu’on envisage la connectivité sans fil pour un capteur de l’Internet des objets (IoT), il est courant que les développeurs pensent d’abord à Wi-Fi, Zigbee ou Bluetooth. Cependant, il arrive souvent que les applications nécessitent une puissance moindre, une plus grande portée, un modèle d’utilisation différent et des débits de données inférieurs à ceux que ces technologies peuvent fournir. Plutôt que de concevoir leur propre interface sans fil à partir de zéro et d’encourir les coûts, les retards potentiels et les remaniements liés à cette approche, les concepteurs peuvent se tourner vers des modules prêts à l’emploi pour une série de réseaux étendus à faible puissance (LPWAN) relativement nouveaux.

Ces LPWAN, qui comprennent Sigfox, LoRaWAN et le nouveau Radiocrafts Industrial IoT (RIIoT), sont conçus pour connecter des capteurs relativement simples qui fonctionnent à des taux d’échantillonnage modérés et envoient des rafales de données courtes et peu fréquentes sur de longues distances, jusqu’à et au-delà de 50 kilomètres (km). Ces applications imposent souvent des contraintes d’alimentation extrêmement strictes afin de maximiser la durée de vie des piles des capteurs situés dans des endroits éloignés ou peu pratiques. Idéalement, les capteurs placés dans de tels endroits pourraient fonctionner de manière fiable sur une pile bouton ou AAA pendant 10 ans.

Cet article aborde les exigences de conception typiques de la détection IoT à longue portée et les caractéristiques de Sigfox, LoRaWAN et RIIoT. Il présente ensuite des modules adaptés de Pi Supply, Sigfox et Radiocrafts et montre comment les utiliser.

Caractéristiques des LPWAN

La bande passante étroite des LPWAN fait partie de leur ingrédient secret pour un fonctionnement à faible puissance (figure 1). Selon les principes de la théorie de l’information, la largeur de bande du signal et le rapport signal/bruit (SNR) ont une relation étroite avec le taux d’erreur des transferts d’informations. Plus le rapport signal/bruit est élevé, ou plus la largeur de bande est étroite, plus le taux d’erreur est faible.

Diagramme de la bande passante étroite des LPWANFigure 1 : La bande passante étroite des LPWAN leur permet de fonctionner sur de plus longues distances à une puissance plus faible. (Source de l’image : Peter R. Egli, via Slideshare)

Les réseaux locaux sans fil tirent parti de cette relation pour obtenir des transferts d’informations très fiables sur de longues distances à faible puissance de sortie. En adoptant un débit de données relativement faible, les systèmes LPWAN réduisent également leurs besoins en largeur de bande de signal. Il en résulte que les systèmes LPWAN peuvent communiquer sur des distances mesurées en kilomètres.

Un deuxième élément clé des systèmes LPWAN est leur utilisation de fréquences subgigahertz (GHz) dans les bandes de fréquences internationales industrielles, scientifiques et médicales (ISM) sans licence (886 – 906 mégahertz (MHz)). Le fonctionnement à ces fréquences (avec des longueurs d’onde plus grandes) réduit l’affaiblissement du trajet en espace libre, ce qui augmente sa portée effective pour une puissance d’émission donnée, selon l’équation 1 :

Equation 1 Equation 1

Où :

d = distance

λ = longueur d’onde

À des fréquences plus basses, les obstacles tels que les murs et les bâtiments absorbent moins d’énergie radiofréquence (RF), ce qui confère aux systèmes LPWAN une excellente capacité de pénétration dans les environnements urbains.

Les conceptions basées sur l’ISM ne nécessitent pas de licence ; cependant, elles doivent toujours se conformer aux réglementations mondiales en matière d’alimentation et de compatibilité électromagnétique pour le fonctionnement en bande ISM.

Exemples de LPWAN

Il existe de multiples options LPWAN parmi lesquelles choisir, mais pour les développeurs qui cherchent à développer rapidement des applications IoT basées sur des capteurs, trois choix clairs sont LoRaWAN, Sigfox et le RIIoT récemment introduit. Chacun d’entre eux prend en charge des modules d’interface radio et de capteurs préconfigurés que les développeurs peuvent simplement inclure dans leur conception, ainsi que des kits de développement qui facilitent la configuration rapide et le développement d’applications.

LoRaWAN repose sur des normes ouvertes gérées par l’Alliance LoRa et sur une technologie radio propriétaire à spectre étalé détenue et autorisée par Semtech Corp. Le réseau utilise une topologie en étoile étendue, permettant aux nœuds individuels de communiquer avec plusieurs passerelles, ce qui permet l’itinérance. Il prend en charge les communications bidirectionnelles entre les passerelles et les nœuds, ce qui permet aux passerelles de transmettre des messages d’un nœud à l’autre, ainsi qu’à un serveur basé sur le cloud.

LoRaWAN permet des débits de 300 bits/s à 50 kbits/s, gère des charges utiles de messages allant jusqu’à 243 octets et utilise des largeurs de bande de signaux de 125 kilohertz (kHz) ou 250 kHz. Il prend en charge des débits de données adaptatifs pour maintenir la fiabilité du signal dans des conditions changeantes et peut atteindre des portées allant jusqu’à 5 km dans un environnement urbain et jusqu’à 20 km en visibilité directe (LoS). Les utilisateurs peuvent développer des nœuds et accéder à des réseaux exploités commercialement, ou établir des réseaux privés en utilisant leurs propres passerelles et réseaux de raccordement.

Sigfox est un protocole propriétaire développé et géré par Sigfox, qui accorde des licences de sa technologie aux développeurs de puces et donne aux utilisateurs l’accès à son réseau par le biais de stations de base passerelles dans le monde entier. En maintenant ses débits de données à 600 bits/s avec une largeur de bande de signal de 100 hertz (Hz), Sigfox peut maximiser la portée. Il peut atteindre 40 km dans des conditions de LoS et 10 km en milieu urbain. Son protocole léger limite les paquets de messages de la liaison montante à 26 octets (avec un maximum de 12 octets de données utilisateur) afin que les émetteurs ne soient que brièvement alimentés. Les nœuds ne peuvent envoyer que 140 messages par jour, et les passerelles ne peuvent envoyer des messages descendants aux nœuds que quatre fois par jour après avoir reçu un message montant de leur part. Par conséquent, les nœuds passent très peu de temps avec leurs radios actives, restant en mode veille la plupart du temps pour minimiser leur consommation d’énergie.

Bien que les radios LPWAN soient de faible puissance, dans le monde réel, la faible puissance est un terme relatif. Par exemple, Radiocrafts propose deux options d’alimentation distinctes pour ses offres de modules Sigfox. Le module d’interface capteur haute puissance RC1692HP-SSM communique avec un microcontrôleur hôte via une connexion UART et offre des ports SPI, I2C, analogiques et GPIO pour la connexion aux capteurs (Figure 2). Il fonctionne sur une alimentation de 2,8 à 3,6 volts.

Image du module de capteur et d'interface radio Sigfox RC1692HP-SSM Figure 2 : Les modules complets de capteur et d’interface radio Sigfox, tels que le RC1692HP-SSM de Radiocrafts, consomment aussi peu que 20 microampères (µA) lorsqu’ils ne transmettent pas. (Image source : Radiocrafts)

En mode veille, le module consomme 1 µA. En mode actif avec des capteurs attachés, il consomme moins de 20 µA en veille et 292 mA en transmission.

Le module RC1682-SSM de plus faible puissance cible le marché européen et consomme beaucoup moins de courant, seulement 58 mA en transmission.

RIIoT est l’une des plus récentes options LPWAN à prendre en compte par les développeurs. Il s’appuie sur la norme de la couche physique (PHY) IEEE 802.15.4g/e, initialement développée pour les applications de comptage intelligent et de contrôle des processus. Il ajoute des fonctions RF et de contrôle d’accès aux médias (MAC) pour prendre en charge une faible consommation d’énergie, une longue portée et une sécurité avancée. La communication est bidirectionnelle sur un réseau en étoile, offrant des délais de réseau prévisibles de moins de 15 ms pour les applications de contrôle en temps quasi réel.

La technologieRIIoT offre deux débits de données (5 kbits/s et 50 kbits/s) et deux niveaux de puissance afin que les développeurs puissent optimiser l’équilibre entre l’autonomie de la batterie, le débit de données et la portée pour répondre au mieux à leurs besoins. Dans la configuration à faible débit de données et à haut débit de données, les réseaux RIIoT peuvent atteindre une portée de 5 km en LoS et de 200 mètres (m) en milieu urbain, en transmettant par salves de 3,5 millisecondes (ms). Avec une puissance de sortie plus élevée à des débits de données plus faibles, leur portée peut atteindre 60 km en LoS et 2 km en zone urbaine en rafales de 45 ms. Le courant de repos pour les nœuds terminaux typiques est de 0,7 microampère (µA).

La construction d’un réseau RIIoT implique trois éléments principaux : un nœud, une passerelle et un logiciel pilote de réseau. Les nœuds individuels « terminaux » utilisent un module tel que le RC1880CEF-SPR de Radiocrafts, qui intègre un convertisseur analogique-numérique (ADC) ainsi que des interfaces GPIO, I2C, SPI et UART. Ces nœuds communiquent sans fil avec un PC Linux en utilisant soit les deux modules RC1880CEF-GPR compatibles sur une carte qui peut être insérée dans un emplacement d’extension, soit un dongle USB branché sur l’un de ses ports USB.

Pour convertir entièrement le PC en passerelle RIIoT, le développeur doit installer un troisième élément : le middleware RIIoT Net Controller. Ce logiciel gère non seulement le réseau, y compris les mises à jour du micrologiciel en direct sur les nœuds d’extrémité, mais convertit également les données et les commandes en objets JSON pour simplifier l’interface avec le cloud.

Diagramme du réseau RIIoT complet Figure 3 : Un réseau RIIoT complet contient des nœuds d’extrémité, un PC Linux hébergeant un module de passerelle et un logiciel de contrôleur. (Image source : Radiocrafts)

L’un des principaux ajouts de RIIoT à la norme IEEE202.15.4 sous-jacente est la possibilité de mettre en œuvre une sécurité de bout en bout dans les transmissions de données. Alors que Sigfox ne prend pas en charge le cryptage et que LoRaWAN prend en charge le cryptage sur ses liaisons sans fil entre le nœud et la passerelle, RIIoT pousse la sécurité un peu plus loin.

Avec RIIoT, chaque nœud peut disposer d’une clé de sécurité unique, ce qui permet au système de garder le message crypté du nœud au programme d’application basé sur le cloud qui interagit avec lui. Les passerelles peuvent simplement transmettre le message crypté ; elles n’ont pas besoin d’accéder au contenu.

Accélérer la conception en utilisant des modules et des kits : RIIoT

Les développeurs qui souhaitent mettre en œuvre des réseaux IoT LPWAN peuvent prendre une longueur d’avance sur leurs efforts de conception en utilisant l’un des nombreux modules d’interface RF et de capteurs préconfigurés disponibles pour les différents réseaux. Ces modules ont déjà résolu tous les problèmes compliqués de conception RF, de minimisation de la consommation et de mise en œuvre du protocole, ce qui en fait un dispositif de communication simple pour le processeur hôte. En outre, les modules sont pré-certifiés pour répondre aux exigences réglementaires pour les bandes ISM. Les développeurs devront toujours certifier leur produit final, mais le fait d’avoir l’élément radio déjà testé rend la certification finale considérablement plus facile et plus sûre.

Ces modules permettent également d’accélérer la conception en fournissant des interfaces de capteurs et une logique de commande intégrées. Le RC1880CEF-SPR de Radiocrafts, par exemple, possède des interfaces pour une entrée analogique vers un ADC, GPIO pour les commutateurs, I2C et SPI pour les capteurs compatibles, et un UART pour se connecter au processeur hôte (Figure 4). Les développeurs peuvent inclure ce module dans leur conception pour répondre aux besoins de communication sans fil et d’interface de capteur pour leur système. Le module peut être programmé pour gérer lui-même la configuration, le contrôle et l’échantillonnage des capteurs, ce qui simplifie la tâche du processeur d’application. Les capteurs et les communications ressemblent simplement à des mémoires de lecture/écriture dans le code de l’application.

Le schéma des systèmes LPWAN peut inclure des radios et des interfaces de capteurs Figure 4 : Les modules des systèmes LPWAN peuvent inclure des radios et des interfaces de capteurs, ce qui facilite leur conception dans les systèmes de capteurs IoT. (Image source : Radiocrafts)

Les kits de développement, tels que le RC1880-RIIOT-DK, peuvent aider les développeurs à mettre rapidement en place un réseau RIIoT complet de bout en bout pour l’expérimentation. Ce kit comprend les nœuds d’extrémité, les modules de passerelle et le logiciel système pour un réseau complet. Sont également inclus des outils logiciels permettant de programmer les nœuds terminaux en C pour gérer les capteurs connectés.

Modules et kits de développement pour LoRaWAN et Sigfox

Des modules préconfigurés pour une mise en œuvre facile des systèmes IoT sont également disponibles pour LoRaWAN. Un bon exemple est le module LoRaWAN PIS-1019 RAK811 de Pi Supply (figure 5).

Image du module LoRaWAN PIS-1019 RAK811 de Pi Supply Figure 5 : Le module LoRaWAN PIS-1019 RAK811 de Pi Supply possède une interface de capteur intégrée ainsi qu’un port série permettant à un microcontrôleur hôte de le contrôler à l’aide de commandes AT standard. (Image source : Pi Supply)

Ce dispositif fournit un port série à un microcontrôleur hôte qui contrôle le module à l’aide de commandes AT standard. Pour faciliter la mise en place d’un réseau complet, le kit de développement PIS-1037 pour le PIS-1019 contient un module hub passerelle qui peut transformer un contrôleur PCIe hôte en point d’accès passerelle/routeur (Figure 6).

Image du kit de développement PIS-1037 de Pi Supply Figure 6 : Les utilisateurs de LoRaWAN peuvent établir leur propre passerelle réseau en utilisant les ressources du PIS-1037 de Pi Supply, le kit de développement du PIS-1019. (Image source : Pi Supply)

Radiocrafts propose également des kits de développement Sigfox complets, tels que le kit RC1692HP-SSM-DK pour le module RF RC1692HP-SSM et le RC-1682-SSM DK pour le module RF RC1682-SSM. Les modules radio Sigfox peuvent ainsi être testés et développés dès leur sortie de la boîte. Les kits sont livrés avec des capteurs de température et d’humidité, un accéléromètre et un capteur à effet Hall.

Toutefois, les développeurs utilisant Sigfox n’ont pas la possibilité de créer leurs propres réseaux. Sigfox exploite et entretient les passerelles du système et les réseaux de raccordement, pour lesquels les utilisateurs paient un droit d’accès. Cependant, les modules sont livrés complets avec des identifiants et des clés de cryptage précodés, et commenceront à livrer des données au cloud Sigfox avec une configuration minimale, une fois enregistrés.

Conclusion

Pour les concepteurs qui cherchent à connecter des capteurs à faible débit de données à l’IoT sur une longue distance et à faible puissance, les solutions LPWAN telles que RIIoT, LoRaWAN et Sigfox offrent des alternatives convaincantes au Wi-Fi, au Zigbee ou aux réseaux cellulaires sous licence. Chacun a ses avantages respectifs, mais tous peuvent répondre à des applications allant des compteurs intelligents à l’agriculture intelligente.

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