Se lancer rapidement dans la détection IoT sans fil basse consommation à l'aide de modules RF LPWAN

Lorsqu'ils envisagent une connectivité sans fil pour un capteur Internet des objets (IoT), les développeurs pensent d'abord aux technologies Wi-Fi, Zigbee ou Bluetooth. Toutefois, les applications nécessitent souvent une consommation plus basse, une portée plus longue, 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'engendrer des coûts, des retards potentiels et des remaniements, les concepteurs peuvent se tourner vers des modules prêts à l'emploi pour une gamme de réseaux étendus basse consommation (LPWAN) relativement nouveaux.

Ces réseaux LPWAN, qui incluent Sigfox, LoRaWAN et le plus récent RIIoT (Radiocrafts Industrial IoT), sont tous conçus pour connecter des capteurs relativement simples fonctionnant à des taux d'échantillonnage modestes, et qui envoient des rafales de données courtes et peu fréquentes sur de longues distances—pouvant dépasser 50 km. De telles applications spécifient souvent des contraintes de puissance extrêmement strictes afin d'optimiser l'autonomie des batteries pour les capteurs situés à des emplacements distants ou peu pratiques. Idéalement, les capteurs placés à de tels emplacements doivent pouvoir fonctionner de manière fiable grâce à une pile bouton ou une pile AAA pendant une période allant jusqu'à 10 ans.

Cet article traite des exigences de conception d'une application de détection IoT longue portée typique et des caractéristiques de Sigfox, LoRaWAN et RIIoT. Il présente ensuite les modules appropriés de Pi Supply, Sigfox et Radiocrafts, et montre comment les utiliser.

Caractéristiques LPWAN

La bande passante étroite des réseaux LPWAN est l'un de ses facteurs clés pour un fonctionnement basse consommation (Figure 1). Les principes de la théorie de l'information stipulent que la bande passante 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 bande passante est étroite, plus le taux d'erreur est faible.

Figure 1 : La bande passante étroite des réseaux LPWAN leur permet de fonctionner sur des portées plus étendues à plus basse consommation. (Source de l'image : Peter R. Egli, via Slideshare)

Les réseaux LPWAN exploitent cette relation pour obtenir des transferts d'informations extrêmement fiables sur de longues distances à faible puissance de sortie. Grâce à un débit de données relativement faible, les systèmes LPWAN permettent également de réduire leurs besoins en bande passante pour les signaux. Ainsi, les systèmes LPWAN peuvent communiquer sur des distances mesurées en kilomètres.

Un deuxième élément clé des systèmes LPWAN est leur utilisation de fréquences sub-gigahertz (GHz) dans les bandes de fréquences industrielles, scientifiques et médicales (ISM) internationales sans licence (886 MHz - 906 MHz). L'utilisation de ces fréquences (avec des longueurs d'ondes plus longues) réduit les pertes de propagation en espace libre, en augmentant leur portée effective pour une puissance de transmission donnée, conformément à l'Équation 1 :

Équation 1

Où :

d = distance

λ = longueur d'onde

À des fréquences plus basses, moins d'énergie radiofréquence (RF) est absorbée par les obstacles comme les murs et les bâtiments, ce qui confère aux systèmes LPWAN une excellente capacité de pénétration en milieu urbain.

Les conceptions basées sur ISM ne nécessitent pas de licence. Cependant, elles doivent quand même se conformer aux réglementations mondiales en matière de puissance et de compatibilité électromagnétique pour le fonctionnement sur bande ISM.

Exemples LPWAN

Il existe plusieurs options de réseau LPWAN, mais pour les développeurs souhaitant développer rapidement des applications IoT basées sur des capteurs, les trois options évidentes sont LoRaWAN, Sigfox et RIIoT (lancé récemment). Ces réseaux bénéficient tous de modules d'interface radio et de capteurs pré-configurés que les développeurs peuvent simplement intégrer à leur conception, ainsi que de kits de développement qui permettent une configuration rapide et simplifient le développement d'applications.

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

LoRaWAN permet des débits de données de 300 bits/s à 50 kbits/s, gère les charges utiles de messages jusqu'à 243 octets et utilise des bandes passantes de 125 kHz ou 250 kHz pour les signaux. 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 en milieu urbain et jusqu'à 20 km en visibilité directe. Les utilisateurs peuvent développer des nœuds et utiliser des réseaux commerciaux ou établir des réseaux privés en utilisant leurs propres passerelles et réseaux backhaul.

Sigfox est un protocole propriétaire développé et géré par Sigfox, qui concède des licences d'utilisation de sa technologie aux développeurs de puces et fournit aux utilisateurs un accès à son réseau par l'intermédiaire de stations de base de passerelles dans le monde entier. En gardant ses débits de données à 600 bits/s avec une bande passante de 100 Hz pour les signaux, Sigfox peut optimiser la portée : 40 km en visibilité directe et 10 km en milieu urbain. Son protocole léger limite les paquets de messages en liaison montante à 26 octets (avec un maximum de 12 octets de données utilisateur) afin que les émetteurs ne soient alimentés que brièvement. Les nœuds ne peuvent envoyer que 140 messages par jour et les passerelles peuvent envoyer des messages en liaison descendante aux nœuds quatre fois par jour seulement, après avoir reçu un message en liaison montante de leur part. Par conséquent, les nœuds passent très peu de temps avec leurs radios actives. Ils restent en mode veille la plupart du temps pour réduire leur consommation énergétique.

Même si les radios LPWAN sont des dispositifs basse consommation, dans le monde réel, « basse consommation » est une expression toute relative. Par exemple, Radiocrafts propose deux options de puissance distinctes pour ses offres de modules Sigfox. Le module d'interface de 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 à des capteurs (Figure 2). Il fonctionne avec une alimentation de 2,8 V à 3,6 V.

Figure 2 : Les modules d'interface radio et de capteur complets Sigfox, comme le RC1692HP-SSM de Radiocrafts, ne consomment que 20 microampères (µA) lorsqu'ils ne transmettent pas de données. (Source de l'image : Radiocrafts)

En mode veille, le module consomme 1 µA. En mode actif avec des capteurs connectés, il consomme moins de 20 µA au repos et 292 mA lors de la transmission.

Le module RC1682-SSM à plus basse consommation cible le marché européen et consomme beaucoup moins de courant : seulement 58 mA lors de la transmission.

RIIoT est l'une des toutes dernières options de réseau LPWAN disponible pour les développeurs. Il repose sur la norme PHY (couche physique) IEEE 802.15.4g/e développée initialement pour les applications de mesure intelligente et de contrôle de processus. Il ajoute des fonctionnalités RF et MAC pour prendre en charge une basse consommation énergétique, une longue portée et une sécurité avancée. La communication bidirectionnelle sur un réseau en étoile fournit des retards réseau prévisibles inférieurs à 15 ms pour les applications de contrôle en temps quasi réel.

RIIoT offre deux débits de données (5 kbits/s et 50 kbits/s) et deux niveaux de puissance pour permettre aux développeurs d'optimiser le compromis entre la durée de vie des batteries, le débit de données et la portée, afin de répondre au mieux à leurs besoins. Avec une basse consommation et un débit de données élevé, les réseaux RIIoT peuvent atteindre une portée de 5 km en visibilité directe et de 200 m en milieu urbain, en transmettant des rafales 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 visibilité directe et 2 km en milieu urbain avec des rafales de 45 ms. Le courant de veille pour les nœuds terminaux typiques est de 0,7 µA.

La construction d'un réseau RIIoT implique trois éléments principaux : un nœud, une passerelle et un logiciel de contrôleur réseau. Les nœuds « terminaux » individuels utilisent un module comme le RC1880CEF-SPR de Radiocrafts, qui intègre un convertisseur analogique-numérique (CAN) ainsi que des interfaces GPIO, I²C, SPI et UART. Ces nœuds communiquent sans fil avec un PC Linux utilisant le module RC1880CEF-GPR compatible sur une carte pouvant être insérée dans un connecteur d'extension ou une clé USB connectée à l'un de ses ports USB.

Pour transformer complètement le PC en une passerelle RIIoT, le développeur doit installer un troisième élément : l'intergiciel RIIoT Net Controller. Ce logiciel gère non seulement le réseau, notamment les mises à jour sans fil du micrologiciel des nœuds terminaux, mais il convertit également les données et les commandes en objets JSON afin de simplifier l'interfaçage avec le cloud.

Figure 3 : Un réseau RIIoT complet contient des nœuds terminaux, un PC Linux hébergeant un module de passerelle, et un logiciel de contrôleur. (Source de l'image : Radiocrafts)

L'un des principaux ajouts apportés par RIIoT à la norme sous-jacente IEEE 202.15.4 est sa capacité à implémenter une sécurité de bout en bout au niveau des transmissions de données. Alors que Sigfox ne prend pas en charge le cryptage et que LoRaWAN prend en charge le cryptage dans ses liaisons sans fil entre nœud et passerelle, RIIoT va encore plus loin en matière de sécurité.

Avec RIIoT, chaque nœud peut disposer d'une clé de sécurité unique, ce qui permet au système de conserver le message crypté depuis le nœud jusqu'au programme d'application basé cloud qui interagit avec le nœud. Les passerelles peuvent simplement transmettre le message crypté. Aucun accès au contenu n'est requis.

Accélérer la conception grâce à des modules et des kits : RIIoT

Les développeurs souhaitant implémenter des réseaux IoT LPWAN peuvent accélérer leurs efforts de conception en utilisant l'un des nombreux modules d'interface RF et de capteur pré-configurés disponibles pour les différents réseaux. Ces modules ont déjà permis de résoudre tous les problèmes délicats de conception RF, de réduction de la consommation et d'implémentation de protocole, ce qui fait essentiellement d'eux des dispositifs de communication directs pour le processeur hôte. De plus, les modules sont pré-certifiés pour la conformité aux exigences réglementaires pour les bandes ISM. Les développeurs devront tout de même faire certifier leur produit final, mais le fait d'avoir l'élément radio déjà éprouvé rend la certification finale beaucoup plus facile et plus certaine.

Ces modules aident également à accélérer la conception en fournissant des interfaces de capteur intégrées et une logique de contrôle. Par exemple, le RC1880CEF-SPR de Radiocrafts présente des interfaces pour une entrée analogique vers un CAN, des GPIO pour les commutateurs, des interfaces I²C et SPI pour des capteurs compatibles, ainsi qu'une interface UART pour la connexion au processeur hôte (Figure 4). Les développeurs peuvent intégrer ce module dans leur conception afin de répondre aux besoins de communication sans fil et d'interface de capteur de leur système. Le module peut être programmé pour gérer tout seul la configuration, le contrôle et l'échantillonnage des capteurs, simplifiant ainsi la tâche du processeur d'application. Les capteurs et les communications ressemblent tout simplement à des lectures et des écritures mémoire dans le code de l'application.

Figure 4 : Les modules pour les systèmes LPWAN peuvent inclure à la fois des interfaces radio et de capteurs, ce qui simplifie leur intégration dans des systèmes de capteurs IoT. (Source de l'image : Radiocrafts)

Des kits de développement, comme le RC1880-RIIOT-DK, peuvent permettre aux développeurs de configurer rapidement un réseau RIIoT complet de bout en bout, à des fins de test. Ce kit inclut les nœuds terminaux, les modules de passerelle et le logiciel système, pour un réseau complet. Des outils logiciels pour la programmation des nœuds terminaux en langage C pour gérer les capteurs connectés sont également inclus.

Modules et kits de développement pour LoRaWAN et Sigfox

Il existe également des modules pré-configurés pour une implémentation facile du système IoT pour LoRaWAN. Le module LoRaWAN PIS-1019 RAK811 de Pi Supply (Figure 5) est un bon exemple.

Figure 5 : Le module LoRaWAN PIS-1019 RAK811 de Pi Supply intègre une interface de capteur ainsi qu'un port série permettant à un microcontrôleur hôte de le contrôler à l'aide de commandes AT standard. (Source de l'image : Pi Supply)

Ce dispositif offre un port série pour un microcontrôleur hôte qui contrôle le module à l'aide de commandes AT standard. Pour vous aider à configurer un réseau complet, le kit de développement PIS-1037 pour le PIS-1019 contient un module de concentrateur de passerelle qui peut transformer un contrôleur PCIe hôte en point d'accès passerelle/routeur (Figure 6).

Figure 6 : Les utilisateurs de LoRaWAN peuvent créer leur propre passerelle réseau à l'aide des ressources du PIS-1037 de Pi Supply, le kit de développement pour le PIS-1019. (Source de l'image : Pi Supply)

Radiocrafts propose également des kits de développement Sigfox complets, comme le kit RC1692HP-SSM-DK pour le module RF RC1692HP-SSM et le kit RC-1682-SSM-DK pour le module RF RC1682-SSM. Ils permettent de tester et de développer immédiatement des modules radio Sigfox. Les kits sont livrés avec des capteurs de température et d'humidité, un accéléromètre et un capteur à effet Hall.

Les développeurs qui utilisent Sigfox n'ont toutefois pas la possibilité de créer leurs propres réseaux. Sigfox exploite et maintient les passerelles et les liaisons système, pour lesquelles les utilisateurs paient un droit d'accès. Les modules sont livrés avec des identifiants et des clés de cryptage pré-codés. Une fois enregistrés, ils commencent à transmettre des données vers le cloud Sigfox après une configuration minimale.

Conclusion

Pour les concepteurs qui souhaitent connecter des capteurs à faible débit de données à l'IoT sur une longue portée et avec une basse consommation, les solutions LPWAN comme RIIoT, LoRaWAN et Sigfox offrent des alternatives convaincantes aux technologies Wi-Fi et Zigbee ou aux réseaux cellulaires sous licence. Chacune a ses avantages, mais toutes peuvent s'adresser à des applications s'étendant des compteurs intelligents à l'agriculture intelligente.