LoRa et LoRaWAN

Qu’est-ce que LoRa ?

LoRa est une technologie de communication sans fil qui permet une communication longue portée avec une faible consommation d’énergie. Elle est conçue pour connecter des objets sur de longues distances tout en conservant une faible consommation d’énergie. La technologie LoRa utilise une modulation de fréquence basée sur le spread spectrum qui permet une transmission robuste même dans des environnements à forte interférence.

Qu’est-ce que LoRaWAN

LoRaWAN est une technologie de réseau étendu à faible consommation d’énergie (LPWAN) qui utilise la modulation de fréquence LoRa pour fournir une connectivité longue portée pour les appareils IoT. Cette technologie de communication sans fil permet aux dispositifs de communiquer sur de grandes distances avec une consommation d’énergie minimale.

Ce protocole permet une communication bidirectionnelle entre les nœuds et les passerelles du réseau LoRaWAN. Il est basé sur une architecture en étoile où les nœuds LoRa communiquent avec des passerelles LoRaWAN qui agrègent et transmettent les données au serveur de réseau LoRaWAN. Les nœuds peuvent également recevoir des messages du serveur de réseau LoRaWAN via les passerelles LoRaWAN.

Le protocole LoRaWAN utilise une modulation de fréquence basée sur la technique de chirp spread spectrum (CSS) qui permet une communication à longue portée tout en offrant une grande résistance aux interférences et au bruit. Le protocole LoRaWAN utilise également une technologie de gestion de la batterie qui permet aux nœuds d’être alimentés par des batteries à longue durée de vie.

Comment fonctionne LoRaWAN

LoRaWAN utilise une topologie en étoile qui permet de connecter plusieurs nœuds à une seule passerelle LoRaWAN. Les nœuds communiquent avec la passerelle en utilisant la technologie LoRa, puis la passerelle transmet les données au serveur réseau.

LoRaWAN utilise également un système de gestion des clés pour garantir que seuls les appareils autorisés peuvent communiquer avec le réseau. Les appareils LoRaWAN sont enregistrés auprès du serveur de réseau avec une clé d’authentification unique. Cette clé est utilisée pour chiffrer les données et garantir que seuls les appareils autorisés peuvent communiquer avec le réseau.

La différence entre LoRa et LoRaWAN

LoRa est une technologie de modulation de fréquence radio qui permet la transmission de données à longue portée et à faible consommation d’énergie. Il permet la communication point à point entre deux dispositifs LoRa, tels que des capteurs et des passerelles.

D’autre part, LoRaWAN est un protocole de communication de réseau qui utilise la technologie LoRa pour transmettre des données de manière maillée. Il permet une communication bidirectionnelle entre les nœuds du réseau et une gestion centralisée de ces nœuds par le biais d’un serveur de réseau. Le protocole LoRaWAN définit les caractéristiques de la communication, telles que la sécurité, la fiabilité et la capacité d’adaptation.

Passerelle LoRaWAN

Une passerelle LoRaWAN est un équipement qui permet de connecter les nœuds LoRa à un réseau IP. Elle reçoit les données des nœuds LoRa et les transmet au serveur réseau pour traitement et stockage. Elle peut également être utilisée pour envoyer des commandes aux nœuds LoRa.

Les passerelles jouent un rôle crucial dans les réseaux LoRaWAN car elles permettent de connecter les nœuds LoRa à Internet et ainsi d’envoyer et de recevoir des données à partir de serveurs distants. Ils peuvent être connectées au réseau IP via Ethernet, Wi-Fi, 3G/4G ou même satellite.

Options du réseau LoRa

Le réseau LoRa offre deux options principales de communication : point à point et réseau LoRaWAN.

La communication point à point permet une communication directe entre deux nœuds LoRa. Cette option est idéale pour les applications où la communication doit être limitée à deux appareils, tels que les systèmes de surveillance de température dans les entrepôts ou les capteurs de qualité de l’air dans les bâtiments.

Le réseau LoRaWAN, quant à lui, permet une communication de type maillé entre les différents nœuds du réseau, avec l’aide de passerelles LoRaWAN. Les nœuds LoRa communiquent avec les passerelles, qui sont connectées à un serveur de réseau. Ce serveur est responsable de la gestion des nœuds du réseau, de la sécurité et du routage des données entre les nœuds.

Les passerelles permettent aux nœuds de communiquer sur une distance plus importante et d’étendre ainsi la couverture du réseau. Les nœuds peuvent également communiquer avec plusieurs passerelles, ce qui renforce encore la redondance et la fiabilité du réseau.

Les classes A, B et C du LoRaWAN

Classe	Description
A	Permet une communication bidirectionnelle, les nœuds peuvent envoyer des données à la passerelle à tout moment et recevoir des données de la passerelle uniquement après l’envoi d’un paquet de données.
B	Permet une communication bidirectionnelle et offre également une synchronisation périodique avec la passerelle.
C	Permet une communication bidirectionnelle en temps réel et offre une réception continue des données en provenance de la passerelle.

Note :

Dans un réseau LoRaWAN, les nœuds (ou devices) sont des dispositifs qui envoient et reçoivent des données telles que des capteurs de température ou de pression. Les passerelles (ou gateways) sont des dispositifs qui reçoivent les données des nœuds et les transmettent au réseau de serveurs LoRaWAN.

BLE (Bluetooth Low Energy), LoRa (Long Range), WiFi et Cellular sont tous des technologies de communication sans fil avec des avantages et des inconvénients différents.

La différence entre BLE , LoRa , WiFi et Cellular

Technologie	Portée typique	Consommation d’énergie	Utilisation idéale
BLE	10 à 30 mètres	Faible	Appareils de faible puissance à courte portée
LoRa	Plusieurs km	Faible	Appareils distants à faible consommation d’énergie
WiFi	30 mètres	Élevée	Appareils à haut débit à courte portée
Cellular	De km à milliers de km	Variable	Appareils à longue portée à haut débit

Les modules LoRa

Arduino et LoRa

Des cartes Arduino avec connectivité LoRa

• Arduino MKR WAN 1300 LoRa : Cette carte est basée sur l’ATmega32U4 et le module Murata CMWX1ZZABZ LoRa, et est conçue pour les applications IoT à faible consommation d’énergie. Elle peut être programmée avec l’Arduino IDE et dispose d’un support de bibliothèque LoRaWAN. Ressources :

Site officiel : https://store.arduino.cc/arduino-mkr-wan-1300-lora-connectivity

• Arduino Edge Control : Cette carte est basée sur l’architecture ARM Cortex-M7 et prend en charge la connectivité LoRa, ainsi que d’autres technologies sans fil telles que WiFi et Bluetooth. Elle est conçue pour les projets IoT à faible consommation d’énergie, tels que les appareils portables et les capteurs, et dispose également d’une mémoire flash de 8 Mo et d’une antenne intégrée. Ressources :

Site officiel : https://store.arduino.cc/arduino-edge-control

• Arduino Portenta Vision Shield LoRa : Cette carte est un shield qui se connecte à la carte Portenta H7 pour ajouter la connectivité LoRa. Elle est basée sur le module Murata CMWX1ZZABZ LoRa et prend en charge la programmation avec l’IDE Arduino. Elle dispose également d’un connecteur pour caméra et de broches d’entrée/sortie supplémentaires pour la connexion de capteurs ou d’autres périphériques. Ressources :

Site officiel : https://store.arduino.cc/portenta-vision-shield-lora

• Adafruit Feather M0 LoRa : Cette carte est basée sur l’ATSAMD21G18 ARM Cortex M0 et le module RFM95W LoRa, et est conçue pour les projets de capteurs sans fil à longue portée. Elle est compatible avec l’IDE Arduino et dispose d’une bibliothèque LoRa pour une communication sans fil facile. Ressources :

Site officiel : https://learn.adafruit.com/adafruit-feather-m0-radio-with-lora-radio-module

• Seeeduino LoRaWAN : Cette carte est basée sur l’ATmega328P et le module Murata CMWX1ZZABZ LoRa, et prend en charge le protocole LoRaWAN pour la connectivité à longue portée. Elle dispose également d’une antenne intégrée et d’une interface série, ainsi que de broches d’entrée/sortie supplémentaires pour la connexion de capteurs ou d’autres périphériques. Ressources :

Site officiel : https://wiki.seeedstudio.com/Seeeduino_LoRAWAN/

Utilisation du module Semtech SX1278 LoRa avec Arduino

Matérielles nécessaires

• Une carte Arduino (comme l’Arduino Uno)
• Un module Semtech SX1278 LoRa
• Des fils
• Une breadboard

Connection du module SX1278 avec Arduino pour l’émetteur

Le module Semtech SX1278 LoRa communique avec l’Arduino via SPI. Par conséquent, nous devrons connecter les broches SPI du module aux broches correspondantes de l’Arduino. Voici comment câbler le module à l’Arduino :

• Connectez la broche MISO du module à la broche MISO de l’Arduino.
• Connectez la broche MOSI du module à la broche MOSI de l’Arduino.
• Connectez la broche SCK du module à la broche SCK de l’Arduino.
• Connectez la broche NSS du module à une broche numérique de l’Arduino (nous utiliserons la broche numérique 10).
• Connectez la broche DIO0 du module à une broche numérique de l’Arduino (nous utiliserons la broche numérique 2).
• Connectez la broche GND du module à la broche GND de l’Arduino.
• Connectez la broche VCC du module à la broche 3,3V de l’Arduino.

Connection du module SX1278 avec Arduino pour le récepteur

Le module SX1278 peut également être utilisé comme récepteur pour recevoir des données d’un émetteur. Nous allons ici ajouter une LED pour indiquer la réception de données par SX1278 avec Arduino.

• Connectez le module SX1278 LoRa à la carte Arduino à l’aide de fils
• Connectez la LED à la carte Arduino. Pour cela, connectez l’anode de la LED à une broche de sortie numérique de la carte Arduino (par exemple, la broche 7), et connectez la cathode à la broche GND de la carte.

Installation des bibliothèques requises

Pour utiliser le module Semtech SX1278 LoRa avec Arduino, nous devons installer certaines bibliothèques. Les bibliothèques requises sont la bibliothèque SPI et la bibliothèque LoRa. Voici comment les installer :

• Ouvrez l’Arduino IDE et allez dans Croquis > Inclure une bibliothèque > Gérer les bibliothèques.
• Dans le Gestionnaire de bibliothèques, recherchez “SPI” et installez la bibliothèque “SPI”.
• Ensuite, recherchez “LoRa” et installez la bibliothèque “LoRa”.

Code de l’émetteur :

#include <SPI.h>
#include <LoRa.h>

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);

  if (!LoRa.begin(433E6)) {
    Serial.println("Starting LoRa failed!");
    while (1);
  }
}

void loop() {
  String message = "Hello, LoRa!";
  LoRa.beginPacket();
  LoRa.print(message);
  LoRa.endPacket();

  Serial.println("Sent message: " + message);

  delay(5000);
}

Code du récepteur :

#include <LoRa.h>

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial);

  if (!LoRa.begin(433E6)) {
    Serial.println("Starting LoRa failed!");
    while (1);
  }
}

void loop() {
  int packetSize = LoRa.parsePacket();
  if (packetSize) {
    while (LoRa.available()) {
      String message = LoRa.readString();
      Serial.println("Received message: " + message);
    }
  }
}