Comment construire un réseau LoRaWAN et le connecter à un serveur

Vous souhaitez créer un réseau LoRaWAN ? Ce guide montre comment configurer la passerelle et la connecter au serveur TTN. En savoir plus!

LoRaWAN (Long Range Wireless Area Network) est le protocole IoT LPWAN (Low Power Wide Area Network) le plus typique en raison de sa large couverture et de ses chipsets à faible coût. Un Passerelle LoRaWAN peut couvrir jusqu'à 20-30 km dans les zones rurales et quelques kilomètres dans les zones urbaines denses dans de bonnes conditions. Si vous souhaitez construire ce réseau pour votre projet, je vais vous montrer comment le faire. Commençons!

Que sont LoRa et LoRaWAN ?

LoRa (Long Range) est une technique exclusive de modulation radio à longue portée et à faible puissance qui manipule les ondes radio pour coder les données à l'aide de la technologie Chirp Spread Spectrum.

D'autre part, LoRaWAN est un protocole de réseau étendu à faible puissance construit au-dessus de la technique de modulation LoRa. Le protocole connecte les appareils à Internet et gère la communication entre les passerelles et les nœuds finaux.

En d'autres termes, LoRaWAN est la couche logicielle MAC (Media Access Control) qui contrôle le fonctionnement de la couche physique matérielle LoRa.

Architecture réseau LoRaWAN

Un réseau LoRaWAN se compose de ces quatre composants principaux.

• Nœuds de fin: Les périphériques et capteurs Edge entrent dans cette catégorie. Ils envoient ou reçoivent des données modulées LoRa sans fil vers et depuis la passerelle.
• Services d'envoi: Passerelle cellulaire Lora collecter des données à partir de divers nœuds finaux et les envoyer au serveur de réseau. De plus, ils fonctionnent en sens inverse, en envoyant des données du serveur de réseau aux nœuds. Les passerelles sont au cœur de Architecture IdO LoRaWAN car ils sont l'épine dorsale de la topologie en étoile du réseau.
• Serveur réseau: Le logiciel de serveur de réseau gère le réseau LoRaWAN, avec des fonctions telles que l'échange de données, l'autorisation des capteurs, etc.
• Serveur d'application: Ces serveurs hébergent les logiciels chargés du traitement sécurisé des données applicatives.

Fournisseurs de serveurs réseau LoRaWAN

DusunLa plate-forme IoT de s'intègre aux serveurs de réseau LoRaWAN leaders du secteur pour faciliter la le travail de développement. Certains des principaux fournisseurs de services réseau LoRaWAN incluent :

loriot

loriot est un puissant serveur de réseau LoRaWAN qui promet évolutivité, sécurité et interopérabilité avec toutes les plateformes IoT. Le fournisseur convivial propose des déploiements gérés/non gérés et dispose d'une suite logicielle pour aider les utilisateurs à gérer leurs réseaux.

ChosesBoard

ChosesBoard est une plate-forme IoT open source offrant des solutions pour la collecte, la visualisation et le traitement de données et la gestion des appareils. Il fournit des déploiements sur site et dans le cloud, ainsi qu'une combinaison de tolérance aux pannes, d'évolutivité et de performances pour garantir l'absence de perte de données.

Hélium

Géré par un réseau blockchain, Hélium crée une architecture sans fil décentralisée pour alimenter les appareils IoT. Il s'agit du premier serveur de réseau LoRaWAN peer-to-peer au monde et permet à ses pairs de gagner des récompenses cryptographiques HNT pour avoir fourni une couverture.

ChirpStack

ChirpStack est également un serveur de réseau LoRaWAN open-source. Il fournit une interface Web pour gérer les passerelles et les nœuds et se connecte aux appareils à l'aide de TLS et MQTT. En outre, vous pouvez étendre ou intégrer ChirpStack à l'aide d'une API basée sur gRPC.

AWS

AWS est bien connu pour fournir des services cloud, et l'un d'eux est le serveur de réseau IoT. Vous pouvez créer un réseau LoRaWAN privé à l'aide du noyau AWS IoT en reliant vos nœuds finaux et Passerelles AWS LoRaWAN vers le cloud.

Senet

Comme AWS, Senet fournit des services de réseau gérés sur le cloud (Network-as-a-Service), résultant en des déploiements IoT hautement évolutifs. Le portail des développeurs de la plate-forme permet aux utilisateurs de tester les nœuds finaux, de valider les fonctions des capteurs et de tester les passerelles. 

MachineQ

MachineQ propose des plates-formes IoT entièrement intégrées et personnalisées pour répondre aux besoins des différents développeurs. La pile LoRaWAN de la société comprend également un algorithme de jonction pour une intégration rapide des appareils et des paramètres flexibles pour la configuration de la connectivité afin de prendre en charge la réintégration.

Le réseau des choses

Le réseau des choses est un écosystème coopératif mondial IoT disponible dans 152 pays. Il se compose de la pile Things, un ensemble flexible de composants réseau avec les serveurs suivants.

• Serveur réseau
• Serveur d'identité
• Serveur de passerelle
• Rejoindre le serveur
• Serveur d'application

Il offre l'option de services réseau gérés ou d'auto-hébergement et possède d'autres fonctionnalités, telles que :

• Mises à jour fermes en direct
• Synchronisation de l'horloge dans la couche application
• Prise en charge des appareils de classe A, B et C
• Transport de blocs de données fractionnés

Comment construire un réseau LoRaWAN et le connecter à un serveur

Étant donné que le TTN est largement disponible et plus complet, je vais l'utiliser pour vous montrer comment construire un réseau LoRaWAN. Nous y voilà!

Aperçu : ce que vous allez construire

Si vous vous souvenez, un réseau LoRaWAN comporte quatre composants. Je vais vous montrer comment construire le nœud final, puis utiliser l'un des Dusun's Passerelles LoRaWAN pour se connecter au réseau et au serveur d'application. Vous pouvez utiliser les réseaux d'itinérance publics s'ils sont disponibles dans votre pays.

Le réseau LoRaWAN est similaire à la connexion de votre smartphone (nœud final) à Internet (serveurs de réseau et d'applications) via des tours cellulaires (passerelles). Cependant, vous ne payez pas les frais de télécommunication avec LoRaWAN. LTE pour smartphones est plus rapide que LoRaWAN et fonctionne en temps réel. Mais ce dernier présente des avantages à longue portée et à faible consommation d'énergie.

Ce que vous devez

• Microcontrôleur Arduino (Pro mini ou Nano)
• Module RFM95 ou RA-07H
• Antenne (facultatif)
• Capteur, tel que DHT11 (bien que pas nécessaire pour le moment)
• Dusun passerelle (ou vous pouvez utiliser une passerelle publique qui se trouve à portée)
• L'ordinateur
• fils des cavaliers

Construire le nœud

Le nœud final nécessite un microcontrôleur pour fonctionner comme le cerveau et un Module LoRa pour la connectivité sans fil à la passerelle.

J'utiliserai l'Arduino Pro Mini et le module RFM95 LoRaWAN, qui peut transmettre en utilisant la bande de fréquence 863 à 870 MHz pour l'Europe et 902 à 928 MHz pour l'Amérique du Nord. Vous pouvez en savoir plus sur ces bandes de fréquences LoRaWAN ici.

Connectez les broches comme indiqué dans ce tableau.

La configuration du nœud a également besoin d'une antenne pour transmettre et recevoir les ondes radio. Certains modules RFM95 sont livrés avec des antennes à bobine de cuivre. Si le vôtre n'en a pas, soudez un fil de 8-9 cm sur sa broche ANT. Ce composant est essentiel, ne mettez donc pas le module sous tension avant de brancher le antenne passerelle lora si le module ne l'a pas. Vous pourriez le détruire.

Passerelle LoRaWAN

Vous pouvez utiliser n'importe lequel de Dusun's passerelles intérieures ou extérieures. Ils sont faciles à configurer, mais vous devriez consulter le manuel de l'utilisateur pour voir si l'appareil a besoin d'une configuration avant de connecter le nœud et de le relier à TTN.

Votre Dusun DSGW-014 (une passerelle extérieure)

N'oubliez pas que différentes zones/continents ont des plages de fréquences de réseau LoRaWAN en itinérance spécifiques. Si vous utilisez une passerelle privée, configurez-la pour qu'elle fonctionne dans la plage de fréquences de votre région.

Créer une application dans TTN

L'étape suivante consiste à se connecter au TTN. Mais d'abord, vous devez vous inscrire. Sélectionnez votre passerelle ou l'emplacement de votre appareil (pays), et TTN recommandera le cluster le plus approprié. 

Ensuite, allez au page des applications pour enregistrer votre appareil sur le réseau. Ajoutez une nouvelle application, puis remplissez les détails, y compris l'ID de l'application. Cliquez sur le bouton "Ajouter une application" et vous obtiendrez un aperçu de votre application.

Après cela, cliquez sur le menu "Appareils", puis ajoutez un nœud final en cliquant sur le bouton "Enregistrer l'appareil" dans le coin supérieur droit de la page Web.

Entrez l'EUI de l'appareil, la clé d'application et l'EUI de l'application, puis cliquez sur enregistrer pour obtenir un aperçu de l'appareil.

Après cela, sélectionnez la méthode d'activation, qui détermine le niveau de confiance et de sécurité entre le nœud final et la passerelle LoRaWAN. Deux modes de connexion existent pour ces appareils : Activation By Personalization (ABP) et Over The Air Activation (OTAA). La différence entre eux réside dans la facilité de mise en œuvre et les critères de sécurité.

Architecture LoRaWAN avec mode de connexion OTAA

OTAA est le mode d'activation/connexion préféré car il est sécurisé. Il nécessite une procédure de communication (bidirectionnelle) avec la passerelle pour échanger les clés.

Cependant, ABP est plus rapide et plus facile à utiliser. Il ne nécessite pas la procédure de prise de contact et permet la configuration manuelle de la clé de chiffrement. Je vais donc utiliser ABP.

Modifier le code

Le code de connexion du nœud final au serveur TTN via la passerelle est déjà dans GitHub. Vous n'avez pas à le réécrire. Juste quelques modifications mineures et vous serez prêt à rouler. Ouvrez l'IDE Arduino, collez le code, puis passez aux lignes 10, 11 et 12.

À partir de la page de présentation de l'appareil TTN, copiez la clé de session réseau, la clé de session d'application et l'adresse de l'appareil. Collez ces données dans les champs respectifs du code.

Et vous devez commencer l'adresse de l'appareil par 0x dans le code. Par exemple, si l'adresse est 260112BE, remplacez-la dans le code par 0x260112BE.

Résultats

Connectez l'Arduino Pro Mini à votre ordinateur et téléchargez le code. Si la connexion réussit, l'état sur la page de l'appareil sur TTN devrait passer de "jamais vu" à un nombre qui compte en secondes.

À ce stade, le réseau fonctionne et vous pouvez connecter des capteurs (tels que le capteur de température et d'humidité DHT11) à la carte Arduino.

Le capteur DHT11

Cette unité fera partie du nœud final et enverra la charge utile sécurisée au serveur. Mais vous devez configurer le formateur de charge utile pour décoder les données brutes entrantes.

Par exemple, vous devez utiliser Javascript pour convertir les données brutes du capteur et de la passerelle vers le serveur réseau.

Disons que vous utilisez un capteur DHT11. Les données de charge utile de liaison montante peuvent être quelque chose comme 3C0119. Ce code Javascript peut décoder les données.

Le résultat sera {champ1 : 60, champ2 : 28.1}, ce qui implique que l'humidité est de 60 % et que la température est de 28.1 °C.

Problèmes potentiels pouvant affecter le réseau

• Mauvaises clés ou dans le mauvais ordre
• Un défaut du module RFM95 ou de sa connexion avec Arduino
• Aucune passerelle à portée de main. Bien qu'une seule passerelle puisse couvrir quelques kilomètres dans les zones urbaines et jusqu'à 30 km dans les zones rurales, ce sont les meilleurs scénarios dans les bonnes conditions. Je recommande donc l'achat d'un Dusun passerelle pour éviter ce problème.

Fournisseurs de réseau gratuits ou premium

Il est essentiel de noter que l'édition communautaire The Things Network est gratuite et ne rapporte pas d'argent à ses utilisateurs. Et comme vous le savez, il y a toujours un hic avec les choses gratuites. Dans ce cas, le serveur de réseau peut avoir des temps d'arrêt importants. Par conséquent, vous ne devez pas déployer de projets commerciaux à l'aide de ce serveur de réseau TTN.

Le service est idéal pour le développement, le prototypage et l'apprentissage, mais un réseau payant fiable est préférable pour les déploiements commerciaux. Même TTN dispose d'un serveur réseau premium qui offre un meilleur service.

Réseau LoRaWAN privé ou public

Ce que vous avez construit en suivant les étapes décrites ci-dessus est un réseau public car plusieurs utilisateurs partagent le serveur réseau. De plus, il nécessite une connexion Internet.

Un réseau LoRaWAN privé nécessite des capteurs IoT, tout comme le type public. Cependant, l'infrastructure réseau doit également être personnelle. Vous devez donc disposer d'une passerelle LoRaWAN personnelle et d'un serveur réseau.

Vous pouvez placer les passerelles à l'intérieur ou à l'extérieur pour fournir une couverture suffisante pour les positions des capteurs/nœuds finaux. Les passerelles fonctionnent comme des routeurs Wi-Fi, installez-les donc à une hauteur raisonnable pour couvrir la portée maximale.

Bien que les passerelles soient l'épine dorsale de la topologie en étoile du réseau LoRaWAN, elles fonctionnent sous le serveur du réseau en termes de gestion. Les serveurs de réseau ont les rôles suivants.

• Gestion de plusieurs passerelles
• Autoriser les nœuds et les actionneurs dans le réseau
• Gestion des payloads (uplink et downlink)
• Assurer une bonne transmission des données sans duplication

Comment créer un réseau LoRaWAN privé

La passerelle peut servir de serveur réseau pour la livraison de données aux applications si vous construisez un petit réseau LoRaWAN privé avec une seule antenne.

Mais si vous souhaitez créer un réseau LoRaWAN avec plusieurs passerelles, vous devez déployer un serveur de réseau privé pour contrôler les appareils.

En outre, vous devez vous assurer que les passerelles déployées fournissent la plage requise pour transmettre et recevoir des données à partir des nœuds.

Gardez à l'esprit que la communication entre les passerelles et les nœuds utilise le protocole LoRaWAN. D'autre part, la transmission de données entre le serveur réseau et la passerelle nécessite des interfaces telles que les sockets Web, MQTT et les services Web.

Enfin, vous aurez besoin d'applications de plate-forme IoT pour traiter les données des passerelles et permettre aux utilisateurs de surveiller et de contrôler à distance les actionneurs et les systèmes.

Lire la suite: Comment créer un réseau LoRaWAN privé

Comment passer du LoRaWAN public au privé

Les réseaux LoRaWAN publics nécessitent les éléments suivants.

• Passerelles partagées
• Connexion Internet
• Abonnement à un fournisseur de services réseau pour l'enregistrement des capteurs/appareils

Ces fournisseurs de services réseau proposent également des applications d'utilisateur final pour la gestion des nœuds LoRaWAN.

Passer à un réseau privé peut avoir plusieurs avantages, comme une meilleure sécurité et une meilleure couverture, notamment à l'intérieur.

Pour changer, vous allez acquérir et configurer des passerelles LoRaWAN, des serveurs de réseau et des plates-formes d'application IoT. Au lieu de passer par la tâche fastidieuse de configurer et d'intégrer les trois, vous pouvez obtenir solutions tout-en-un.

La plupart des fabricants personnalisent ces passerelles d'application IoT pour des applications et des systèmes spécifiques, tels que les assistants domestiques. Cependant, DusunLes passerelles de peuvent accueillir des applications tierces, ce qui les rend polyvalentes et flexibles.

Coût de la mise en place d'un réseau LoRaWAN privé

Que vous mettiez en place un réseau LoRaWAN privé ou public, le coût des nœuds finaux est constant car vous devez développer ces composants.

Cependant, vous pouvez utiliser des passerelles partagées et des serveurs de réseau dans un réseau LoRaWAN public, de sorte que les coûts sont inférieurs lors de la configuration. Les frais d'abonnement sont également bon marché et peuvent être gratuits si vous utilisez des projets communautaires gratuits comme TTN.

Le déploiement d'un réseau LoRaWAN privé est plus coûteux car vous devez acheter plus de matériel. Les passerelles doivent fournir une couverture suffisante, ce qui signifie que vous pourriez en avoir besoin de plusieurs pour une utilisation intérieure et extérieure.

L'achat d'une passerelle tout-en-un, d'un serveur de réseau et d'un dispositif d'application de plate-forme IoT est moins cher que la configuration des trois indépendamment. Nous considérerons donc l'utilisation de ce matériel comme la dépense la plus importante.

Contactez-nous Dusun pour obtenir un devis pour leurs passerelles d'applications IoT. Si vous aimez être technique, ils offrent également Passerelles programmables IoT. Ceux-ci sont plus flexibles, ont des API ouvertes et prennent en charge plusieurs langages de programmation, tels que Java, Python, C, C++ et Node JS.

Avantages d'un réseau LoRaWAN privé

• Sécurisé (minimise le risque de violation de données et d'écoute clandestine)
• Offrir un meilleur contrôle des applications spécifiques, y compris la personnalisation

Avantages d'un réseau public LoRaWAN

• Coût de configuration/d'installation moins cher
• Vous relie à une large communauté d'utilisateurs
• Les fournisseurs établis peuvent fournir une infrastructure de serveur de réseau fiable

Applications LoRaWAN

• Logistique/Transport (suivi de flotte)
• Soins de santé intelligents (surveillance de la condition physique/santé)
• Agriculture intelligente (mesure de l'exposition au soleil, éclairage de croissance)
• Environnements intelligents (détection de fuites radioactives, surveillance de la qualité de l'air, etc.)
• Solutions de sécurité publique (portables comme des badges d'identification avec des boutons de panique pour envoyer des signaux SOS)
• Bâtiments intelligents (comptage d'eau, occupation des pièces, détection de mouvement, surveillance du niveau de CO2, etc.)
• Villes intelligentes (parcmètres, contrôle de la qualité de l'air, gestion des déchets, éclairage public, transport en commun, etc.)

Récapitulation

En conclusion, les réseaux LoRaWAN sont essentiels pour prendre en charge l'IoT. Et vous pouvez en créer un en suivant les étapes que j'ai expliquées ci-dessus. Essayez de peser les options entre le déploiement d'un réseau LoRaWAN public ou privé en considérant d'abord vos besoins.

Pour plus d'informations, visitez le site Dusun Solutions pour avoir un aperçu d'autres idées que vous pouvez essayer de mettre en œuvre à l'aide de votre réseau LoRaWAN IoT.