Accélérer le développement de la connectivité longue portée avec un module LoRaWAN certifié

Dans de nombreuses applications à haut volume basées sur des capteurs pour l'agriculture, le suivi des actifs, les services publics et l'Internet des objets (IoT), les développeurs doivent fournir une connectivité sécurisée sur des distances de fonctionnement étendues. Conçu pour prendre en charge de très grands réseaux de tels dispositifs, le protocole de réseau étendu à longue portée (LoRaWAN) peut fournir une solution efficace, mais il requiert des connaissances et une expertise appropriées pour mettre en œuvre rapidement un sous-système de communications optimisé.

Cet article décrit brièvement LoRaWAN et ses capacités. Il présente ensuite un module certifié LoRaWAN de Murata Electronics qui offre aux développeurs une solution immédiate pour obtenir une connectivité à très longue portée via des réseaux étendus basse consommation (LPWAN). Une carte de développement avec support logiciel pour accélérer le prototypage est également présentée.

Présentation de LoRaWAN

Parmi les options de connectivité sans fil disponibles, LoRaWAN s'est imposé comme une solution efficace pour les applications basées sur des serveurs qui se connectent à des dispositifs terminaux basse consommation situés bien au-delà de la portée des options sans fil populaires telles que Wi-Fi ou Bluetooth. Dans un réseau LoRaWAN, les serveurs d'applications communiquent via des réseaux TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol) conventionnels avec des passerelles LoRaWAN (Figure 1).

Figure 1 : Dans une application réseau LoRaWAN typique, les serveurs se connectent à des passerelles qui, à leur tour, utilisent les capacités longue portée et basse consommation de la technologie LoRa pour connecter des dispositifs terminaux pouvant se trouver à plusieurs kilomètres. (Source de l'image : Murata Electronics)

Les passerelles LoRaWAN, à leur tour, communiquent avec les dispositifs terminaux à l'aide de la technologie radiofréquence (RF) sub-gigahertz LoRa fonctionnant dans les bandes de fréquences industrielles, scientifiques et médicales (ISM) sans licence. Destinée aux applications à débit relativement faible, la technologie LoRa offre un débit maximum d'environ 10 kilobits par seconde (Kb/s), mais elle présente des avantages uniques pour les applications longue portée.

Reposant sur la technologie à spectre étalé, LoRa RF permet aux développeurs d'échanger le débit contre la portée, pour atteindre facilement des communications bidirectionnelles fiables sur des distances de plus de 15 kilomètres (km) en zones rurales ou de plus de 5 km en intérieur dans des zones urbaines denses.

Le protocole LoRaWAN protège le trafic de communication grâce au modèle de sécurité de LoRaWAN. LoRaWAN utilise deux clés de sécurité : l'une pour garantir l'authenticité et l'intégrité au niveau des paquets, et l'autre pour garantir la sécurité de bout en bout des messages entre les dispositifs terminaux et les serveurs d'applications.

Le protocole LoRaWAN offre d'autres avantages pour équilibrer la consommation d'énergie des dispositifs terminaux avec les besoins de communication de l'application. Un réseau LoRaWAN permet aux dispositifs de fonctionner dans l'une des trois classes suivantes : classe A, classe B ou classe C. Un dispositif de n'importe quelle classe peut transmettre les messages selon les besoins, mais sa classe détermine quand il peut recevoir des messages.

Les dispositifs de classe A sont les plus écoénergétiques et ils sont conçus pour un fonctionnement déclenché par des événements, par exemple lorsqu'un capteur détecte un changement dans son environnement. Les dispositifs de classe A peuvent rester en veille entre les événements, s'activer après l'acquisition des données de capteurs juste assez longtemps pour transmettre les données, puis ouvrir des fenêtres de réception de liaison descendante dans les délais spécifiés (RX1 et RX2) après la transmission de liaison montante (Figure 2).

Figure 2 : La classe LoRaWAN la plus écoénergétique, la classe A, permet aux dispositifs de rester en veille le plus longtemps possible, et de s'activer uniquement pour transmettre des données (liaison montante) aux passerelles et ouvrir ensuite une première fenêtre de réception (RX1) et une deuxième fenêtre de réception (RX2) une fois la liaison montante terminée. (Source de l'image : Murata Electronics)

Les dispositifs de classe B prennent en charge un fonctionnement périodique selon un calendrier requis par l'application. Pour les dispositifs de classe B, le protocole LoRaWAN permet aux dispositifs d'ouvrir une fenêtre de réception de liaison descendante selon un calendrier spécifié, en utilisant une balise transmise par la passerelle pour synchroniser le dispositif terminal avec le réseau (Figure 3).

Figure 3 : Les dispositifs LoRaWAN de classe B permettent des liaisons descendantes synchronisées en utilisant une balise transmise par la passerelle connectée pour maintenir la synchronisation. (Source de l'image : Murata Electronics)

Les dispositifs de classe C sont conçus pour les applications exigeant que les dispositifs terminaux écoutent en permanence les messages de liaison descendante. Étant donné que les dispositifs de classe C doivent rester actifs, ils sont généralement alimentés par le secteur plutôt que par batterie, comme c'est le cas pour les dispositifs de classe A et même de classe B (Figure 4).

Figure 4 : Généralement alimentés par une source d'alimentation constante, les dispositifs LoRaWAN de classe C restent toujours actifs, écoutant en permanence les messages de liaison descendante lorsqu'ils ne transmettent pas de messages de liaison montante. (Source de l'image : Murata Electronics)

Bien que le concept semble simple, la mise en œuvre d'un réseau LoRaWAN requiert des connaissances et une expérience considérables pour trouver le bon équilibre entre les paramètres de fonctionnement détaillés du protocole LoRaWAN et sa technologie LoRa sous-jacente.

Le module LoRaWAN certifié offre une solution instantanée

Le module LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics et le micrologiciel associé offrent une solution immédiate pour accélérer la connectivité réseau LoRaWAN, fournissant ainsi une solution certifiée LoRaWAN complète pour les dispositifs terminaux. Le module intègre l'émetteur-récepteur LoRa SX1262 de Semtech, le microcontrôleur STM32L072 de STMicroelectronics avec 192 kilo-octets (Ko) de mémoire Flash, un commutateur RF et un oscillateur à quartz à compensation de température (TCXO). Il est fourni en boîtier moulé en résine blindé mesurant seulement 10,0 millimètres (mm) x 8,0 mm x 1,6 mm (Figure 5).

Figure 5 : Fournissant une solution de connectivité LoRaWAN complète, le module LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics intègre un émetteur-récepteur LoRa SX1262 de Semtech et un microcontrôleur STM32L072 de STMicroelectronics exécutant une pile LoRaWAN préchargée. (Source de l'image : Murata Electronics)

Fonctionnant à partir d'une seule alimentation de 3,3 volts (V), le module ne consomme que 15,5 milliampères (mA) avec une bande passante de 125 kilohertz (kHz) tout en offrant une sensibilité de récepteur de -135,5 dBm à un taux d'erreur de paquet de 1 % avec la même bande passante et le même facteur d'étalement maximum. Le facteur d'étalement est défini comme le nombre de chirps par bit dans l'implémentation de la technologie d'étalement du spectre chirp de LoRa. Pour la transmission, le module offre jusqu'à +21,5 dBm de puissance d'émission tout en consommant 118 mA à la puissance d'émission maximale.

Le module LBAA0QB1SJ-296 prend en charge LoRaWAN classe A, B ou C, offrant plusieurs modes de fonctionnement basse consommation qui permettent aux développeurs d'équilibrer les performances et la consommation d'énergie. Pour les dispositifs terminaux alimentés par batterie (fonctionnant généralement en classe A ou classe B), le module peut fonctionner dans un mode ultrabasse consommation qui ne consomme qu'environ 1,3 microampère (µA) avec un fonctionnement d'horloge en temps réel, permettant un fonctionnement pendant des années.

Développement rapide de dispositifs connectés LoRaWAN

L'utilisation du module LBAA0QB1SJ-296 pour ajouter une connectivité LoRaWAN à un système de dispositif terminal est relativement simple. Côté matériel, le module se connecte à un processeur hôte de dispositif terminal via l'interface UART du module. Outre l'interface UART pour la communication hôte, le module ne requiert qu'une antenne externe et quelques composants supplémentaires pour fournir un sous-système matériel LoRaWAN complet (Figure 6).

Figure 6 : Grâce au module LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics, les développeurs n'ont besoin que de quelques composants supplémentaires pour ajouter une connectivité LoRaWAN certifiée à leurs conceptions de dispositifs terminaux. (Source de l'image : Murata Electronics)

Côté logiciel, le module LBAA0QB1SJ-296 est préconfiguré avec une pile complète pour le fonctionnement LoRaWAN dans la bande ISM de 915 mégahertz (MHz). En fonctionnement, le processeur hôte du dispositif terminal gère et surveille le fonctionnement du module avec un jeu de commandes AT.

Bien que l'interface matérielle du module et le micrologiciel préchargé contribuent à accélérer le développement personnalisé, la carte d'évaluation LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de Murata permet aux développeurs de commencer immédiatement le prototypage rapide et le développement accéléré des conceptions de production (Figure 7).

Figure 7 : Conçue pour accélérer l'évaluation et le prototypage rapide de la connectivité LoRaWAN, la carte d'évaluation LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de Murata combine un module LBAA0QB1SJ-296 avec des périphériques et des connecteurs. (Source de l'image : Murata Electronics)

La carte d'évaluation prend en charge le module LBAA0QB1SJ-296 embarqué avec plusieurs dispositifs d'interface utilisateur, notamment des diodes électroluminescentes (LED), une thermistance et des boutons-poussoirs. Les développeurs peuvent étendre davantage les fonctionnalités de la carte en ajoutant les périphériques nécessaires à l'aide des connecteurs Arduino Uno V3 de la carte.

Pour commencer à évaluer LoRaWAN pour leur application, les développeurs doivent simplement connecter une antenne subminiature version A (SMA) RF 915 MHz, l'alimenter depuis une source externe et connecter la carte via son connecteur USB à un système de développement hôte.

Une fois la carte installée, les développeurs peuvent tester le fonctionnement du module à l'aide d'un programme d'émulation de terminal ou d'un outil de test d'interface utilisateur graphique (GUI) disponible pour les utilisateurs enregistrés de la carte. Pour un débogage étendu, la carte fournit une interface SWD et un connecteur USB pour connecter un débogueur/programmateur ST-LINK de STMicroelectronics.

Pour l'évaluation de bout en bout des applications et le débogage des logiciels, les développeurs peuvent simplement ajouter une passerelle LoRaWAN prête à l'emploi pour terminer la liaison de communication entre la carte d'évaluation et les serveurs d'applications.

Conclusion

Le protocole LoRaWAN et la technologie LoRa sous-jacente offrent une solution efficace pour connecter des dispositifs terminaux sur de longues distances sans compromettre les budgets énergétiques limités. Conçu pour accélérer le déploiement de réseaux étendus basse consommation, le module LBAA0QB1SJ-296 de Murata Electronics fournit une solution prête à l'emploi certifiée LoRaWAN. La carte d'évaluation LBAA0QB1SJ-TEMP-EVK de Murata Electronics, basée sur le LBAA0QB1SJ-296, permet aux développeurs de rapidement prototyper et évaluer leurs applications réseau LoRaWAN.