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Cours- Formation LoRa / LoRaWAN Version du cours : 4.1 Octobre 2019 Sylvain MON

Cours- Formation LoRa / LoRaWAN Version du cours : 4.1 Octobre 2019 Sylvain MONTAGNY sylvain.montagny@univ-smb.fr Université Savoie Mont Blanc | 2 Présentation du document Ce cours sur l’internet des Objets et les protocoles LoRa / LoRaWAN est le support d’une formation proposée par l’Université de Savoie Mont Blanc (USMB). Elle est réalisée : ■ Aux étudiants du Master ESET (Electronique des Systèmes Embarqués et Télécoms) Site web de la formation : [ www.master-electronique.com ] ■ Aux entreprises qui en font la demande (1 ou 2 journées) : sylvain.montagny@univ-smb.fr Sigles et Acronymes LoRa : Long Range LoRaWAN : Long Rang Wide Area Network LPWAN : Low Power Wide Area Network. TTN : The Things Network MQTT : Message Queuing Telemetry Transport QoS : Quality of Service HTTP : HyperText Transfer Protocol IoT : Internet Of Things LTE-M : Long Term Evolution Cat M1 NB-IoT : NarrowBand Internet of Things FDM : Frequency Division Multiplexing TDM : Time Division Multiplexing CDMA : Code Division Multiple Access RSSI : Received Signal Strength Indication. SNR : Signal Over Noise Ratio SF : Spreading Factor CR : Coding Rate CHIRP : Compressed High Intensity Radar Pulse JSON : JavaScript Object Notation SDR : Software Digital Radio | 3 Sommaire 1 LES SYSTEMES EMBARQUES ET L’IOT.........................................................................................................6 1.1 L'INTERNET DES OBJETS ( INTERNET OF THINGS / IOT )...................................................................................6 1.1.1 Les systèmes embarqués dans l’IoT................................................................................................6 1.1.2 Différents protocoles dans l’IoT......................................................................................................6 1.1.3 Bande de fréquence utilisées..........................................................................................................7 1.2 MODES DE PARTAGE DU SUPPORT...........................................................................................................................................7 1.3 NOTION D’ETALEMENT DE SPECTRE.........................................................................................................................................8 1.3.1 Transmissions successives..............................................................................................................8 1.3.2 Transmissions simultanées.............................................................................................................9 1.3.3 Cas du protocole LoRa....................................................................................................................9 2 TRANSMISSION RADIO ET PROPAGATION........................................................................................10 2.1 LES UNITES ET DEFINITIONS....................................................................................................................................................10 2.2 ETUDE DE LA DOCUMENTATION D’UN COMPOSANT LORA..................................................................................................11 3 LA COUCHE PHYSIQUE LORA............................................................................................................13 3.1 LA MODULATION LORA..........................................................................................................................................................13 3.1.1 La forme du symbole (Chirp).........................................................................................................13 3.1.2 Durée d’émission d’un symbole....................................................................................................15 3.2 CODING RATE..........................................................................................................................................................................16 3.3 UTILISATION DU LORA CALCULATOR....................................................................................................................................17 3.4 TIME ON AIR...........................................................................................................................................................................18 3.5 MISE EN ŒUVRE : LORA EN POINT A POINT.........................................................................................................................19 3.5.1 Utilisation de l’IDE Arduino...........................................................................................................19 3.5.2 Validation du fonctionnement......................................................................................................20 3.5.3 Mise en valeur du Spreading Factor.............................................................................................20 4 LE PROTOCOLE LORAWAN...............................................................................................................21 4.1 STRUCTURE D’UN RESEAU LORAWAN.......................................................................................................21 4.1.1 Les Devices LoRa...........................................................................................................................21 4.1.2 Les Gateways LoRa.......................................................................................................................21 4.1.3 Le Network Server.........................................................................................................................22 4.1.4 Application Server.........................................................................................................................22 4.1.5 Application / Web Serveur............................................................................................................24 4.1.6 Authentification avec le Network Server......................................................................................25 4.1.7 Chiffrement des données vers l’Application Server......................................................................25 4.1.8 Combinaison de l’authentification et du chiffrement...................................................................26 4.2 CLASSES DES DEVICES LORAWAN............................................................................................................26 4.2.1 Classe A (All) : Minimal power Application...................................................................................26 4.2.2 Classe B (Beacon) : Scheduled Receive Slot..................................................................................27 4.2.3 Classe C (Continuous) : Continuously Listening............................................................................28 4.2.4 Quelle Gateway pour les flux Downlink ?.....................................................................................29 4.3 ACTIVATION DES DEVICES LORA ET SECURITE......................................................................................................................29 4.3.1 ABP : Activation By Personalization..............................................................................................29 4.3.2 OTAA : Over The Air Activation.....................................................................................................30 4.3.3 Sécurité.........................................................................................................................................31 4.4 LA TRAME LORA / LORAWAN................................................................................................................32 4.4.1 Les couches du protocole LoRaWAN.............................................................................................32 4.4.2 Couche Application.......................................................................................................................33 4.4.3 Couche LoRa MAC.........................................................................................................................34 | 4 4.4.4 Couche physique : Modulation LoRa............................................................................................34 4.4.5 Canaux et bandes de fréquences et Data Rate (DR).....................................................................35 4.4.6 Trame reçue et transmise par la Gateway LoRaWAN..................................................................36 4.4.7 Le format JSON.............................................................................................................................37 5 MISE EN ŒUVRE D’UN RESEAU LORAWAN.......................................................................................38 5.1 LES DIFFERENTS TYPES DE RESEAUX.......................................................................................................................................38 5.1.1 Les réseaux LoRaWAN opérés......................................................................................................38 5.1.2 Les réseaux LoRaWAN privés........................................................................................................38 5.1.3 Les zones de couvertures..............................................................................................................38 5.2 THE THINGS NETWORK (TTN)..................................................................................................................39 5.2.1 Présentation de TTN.....................................................................................................................39 5.2.2 Configuration de la Gateway........................................................................................................39 5.2.3 Enregistrement des Gateways, Appplication et Devices..............................................................39 5.2.4 Configuration des Devices LoRa....................................................................................................40 5.3 MISE EN APPLICATION............................................................................................................................................................41 5.4 ANALYSE DES TRAMES ECHANGEES........................................................................................................................................41 5.4.1 Utilisation de la base 64...............................................................................................................41 5.4.2 Intérêt et inconvénient de la base 64...........................................................................................43 5.4.3 Uplink : Du Device LoRa au Network Server.................................................................................43 5.4.4 Uplink : Du Network Server à l’Application Server.......................................................................45 5.4.5 Simulation d’Uplink dans l’Application Server..............................................................................46 5.4.6 Downlink : De l’Application Server au Device LoRa......................................................................46 6 LA RECUPERATION DES DONNEES SUR NOTRE PROPRE APPLICATION..............................................47 6.1 RECUPERATION DES DONNEES EN HTTP POST DANS L’APPLICATION..............................................................................47 6.1.1 Présentation du protocole HTTP...................................................................................................47 6.1.2 Fonctionnement d’un client et d’un serveur HTTP POST..............................................................48 6.1.3 Test du serveur HTTP POST...........................................................................................................49 6.1.4 Test du client HTTP POST..............................................................................................................49 6.1.5 Récupérer des données sur notre Application avec HTTP POST...................................................49 6.1.1 Envoyer des données depuis notre Application avec HTTP POST.................................................51 6.2 RECUPERATION DES DONNEES AVEC MQTT DANS L’APPLICATION....................................................................................52 6.2.1 Présentation du protocole MQTT.................................................................................................52 6.2.2 Connexion au Broker MQTT..........................................................................................................53 6.2.3 Qualité de Service au cours d'une même connexion....................................................................53 6.2.4 Qualité de Service après une reconnexion....................................................................................55 6.2.5 Les Topics du protocole MQTT......................................................................................................55 6.2.6 Mise en place d’un Broker MQTT.................................................................................................56 6.2.7 Mise en place d’un Publisher et d’un Subscriber MQTT...............................................................57 6.2.8 Récupérer des données sur notre Application avec MQTT...........................................................57 6.2.9 Envoyer des données depuis notre Application avec MQTT.........................................................60 7 CREATION DE NOTRE PROPRE NETWORK ET APPLICATION SERVER..................................................63 7.1.1 Objectifs........................................................................................................................................63 7.1.2 Présentation de LoRaServer..........................................................................................................63 7.1.3 Le « Packet Forwarder » (Gateway).............................................................................................64 7.1.4 LoRa Gateway Bridge...................................................................................................................66 7.1.5 LoRa Server (Network Server).......................................................................................................66 7.1.6 LoRa App Server (Application Server)...........................................................................................67 7.1.7 LoRa Geo Server............................................................................................................................67 7.1.8 Application....................................................................................................................................67 7.2 INSTALLATION DE LORASERVER.............................................................................................................................................67 | 5 7.2.1 Mise en place de l’environnement................................................................................................67 7.2.2 Installation sur la Raspberry PI.....................................................................................................68 7.1 CONFIGURATION DE LORA SERVER POUR L'UPLINK............................................................................................................69 7.1.1 Enregistrement d’une nouvelle Organisation...............................................................................69 7.1.2 Enregistrement d’une instance du Network Server......................................................................69 7.1.3 Enregistrement d’une Application (Sur l’Application Server).......................................................70 7.1.4 Enregistrement des Devices LoRa.................................................................................................71 7.1.5 Visualisation des trames reçues...................................................................................................72 7.2 CONFIGURATION DE LORASERVER POUR L'INTEGRATION D'APPLICATION........................................................................74 7.2.1 Récupérer des données sur notre Application avec HTTP POST...................................................74 7.2.2 Récupérer des données sur notre Application avec MQTT...........................................................74 8 CREATION DE NOTRE PROPRE APPLICATION....................................................................................76 8.1 UTILISATION DE NODE-RED.....................................................................................................................76 8.1.1 Présentation..................................................................................................................................76 8.1.2 Mise en place de l’environnement................................................................................................76 8.1.3 Créer une Application spécifique pour TTN..................................................................................77 8.1.4 Création d’un Dashboard..............................................................................................................79 8.2 PROGRAMMATION EN PHP.....................................................................................................................80 9 VERSIONS DU DOCUMENT...............................................................................................................82 | 6 1 Les systèmes embarqués et l’IoT 1.1 L'Internet des Objets ( Internet of Things / IoT ) 1.1.1 Les systèmes embarqués dans l’IoT D’une façon générale, les systèmes électroniques peuvent être caractérisés par leur consommation, leur puissance de calcul, leur taille et leur prix. Dans le cas spécifique des systèmes embarqués utilisés dans l’IoT, nous pouvons affecter le poids suivant à chacune des caractéristiques : Figure 1 : Consommation, Puissance, Taille et Prix des objets connectés Comparés aux autres systèmes électroniques, les systèmes embarqués utilisés dans l’IoT possèdent donc : ■ Une faible consommation ■ Une faible puissance de calcul ■ Une petite taille ■ Un prix faible 1.1.2 Différents protocoles dans l’IoT Débit (Bandwidth) Portée (Range) Figure 2 : Protocoles utilisés dans l'IoT en fonction du débit et de la portée L’ensemble de ces réseaux sont dénommés LPWAN : Low Power Wide Area Network. 1.1.3 Bande de fréquence utilisées En Europe les bandes de fréquences libres (sans licence) sont : 13 Mhz (RFID), 169 Mhz, 434 Mhz, 868 Mhz, 2.4Ghz, 5 Ghz et 24 Ghz (Faisceau Hertzien). Parmi ces fréquences, seul le 433 MHz et 868 MHz sont utilisables en LoRa. 1.2 Modes de partage du support Quel que soit le protocole utilisé, le support de transfert de l’information est l’air, car tous les protocoles de l’IoT sont Wireless. Le support doit être partagé entre tous les utilisateurs de telle façon que chacun des dispositifs Wireless ne perturbe pas les autres. Pour cela une bande de fréquence est allouée. Par exemple pour la radio FM la bande de fréquence va de 87,5 Mhz à 108 Mhz. Dans leur bande de fréquence les dispositifs peuvent se partager le support de différentes manières : ■ FDM (Frequency Division Multiplexing) : Ce mode utilise une partie du spectre (bande de fréquence), en permanence. Exemple : Radio FM. ■ TDM (Time Division Multiplexing). Ce mode utilise tout le spectre (bande de fréquence), par intermittence. Exemple : GSM, on a « 8 time slots » par canal. ■ CDMA (Code Division Multiple Access) : Ce mode utilise tout le spectre, tout le temps. | 8 Les Devices LoRa sont capables d’émettre sur un même canal, en même temps. Le protocole LoRa utilise une modulation très similaire à la méthode de partage CDMA (pour autant, on ne pourra pas dire que le LoRa utilise le CDMA). Afin de comprendre la pertinence de ce mode de partage du support, nous allons valider le fonctionnement du mode CDMA dans le prochain paragraphe. Plus tard dans le cours, nous expliquerons les différences de la modulation LoRa. 1.3 Notion d’ "étalement de spectre" utilisée en LoRa Nous allons voir au travers d’un exercice comment il est possible d’utiliser tout le spectre, en permanence, tout en étant capable d’effectuer plusieurs transactions simultanées entre différents émetteurs/récepteurs. Cette méthode est souvent appelée « étalement de spectre » car comme son nom l’indique, elle a pour conséquence d’étaler le spectre du signal transmis. La méthode consiste à utiliser des codes qui ont des propriétés mathématiques adaptées à notre objectif : Transmettre en même temps sur la même bande de fréquence. La matrice ci-dessous donne par exemple 4 codes d’étalement (1 par ligne) : Code Orthogonal User 0 1 1 1 1 Code Orthogonal User 1 1 -1 1 -1 Code Orthogonal User 2 1 1 -1 -1 Code Orthogonal User 3 1 -1 -1 1 Tableau 1 : Matrice de Hadamart (mathématicien) d'ordre 4 Les propriétés de ces codes (1 1 1 1 ; 1 -1 1 -1 ; 1 1 -1 -1 ; 1 -1 -1 1) ne sont uploads/Management/ cours-lora-lorawan-pdf.pdf