Passerelles LoRaWAN: un guide complet

Les passerelles LoRaWAN ou les passerelles LoRa sont des dispositifs radio qui fournissent une connectivité bidirectionnelle entre les nœuds finaux tels que les capteurs et  les appareils IoT et Internet. Ils fonctionnent à l'aide de la technologie de réseau sans fil longue portée (LoRa) et constituent un composant clé des réseaux étendus longue portée (LoRaWAN). 

La technologie LoRa appartient à Semtech et est développée et supervisée par l'Alliance LoRa, qui comprend des parties prenantes de l'industrie qui utilisent les chipsets LoRa et le protocole de réseau dans une variété d'applications.

La passerelle LoRaWAN est un composant de réseau sans fil essentiel pour connecter les nœuds finaux aux applications basées sur le cloud qui les contrôlent. Il a été démontré que les passerelles LoRa fournissent une solution fiable et peu coûteuse pour la connectivité IoT avec plusieurs réseaux IoT propriétaires utilisant ces appareils. Les appareils IoT peuvent utiliser des LoRa moins chers et à faible consommation d'énergie pour transmettre leurs données jusqu'à la passerelle la plus proche. Les passerelles peuvent recevoir les données et les transmettre en utilisant des réseaux à plus haute énergie et à bande passante tels que le WiFi, le cellulaire et Ethernet.

Passerelles LoRa: pont et routeur pour l'IoT

Les passerelles LoRa peuvent acquérir et concentrer les signaux LoRa transmis à partir d'appareils IoT, une seule passerelle LoRaWAN étant capable de prendre en charge des milliers d'appareils. Ils agissent comme un pont ou un routeur pour les appareils IoT basés sur LoRa à proximité. Leur couverture est importante, étant capable de capter des transmissions à une distance de plus de 4,8 kilomètres (3 miles) dans les zones urbaines et de 16 kilomètres (10 miles) dans les zones éloignées ou rurales exemptes d'obstruction. L'antenne des passerelles  peut être mise à niveau vers une antenne LoRa longue portée qui peut recevoir des signaux LoRa dans l'une des trois bandes de fréquences sans licence (selon la région) ainsi qu'une connectivité WiFi, cellulaire ou Ethernet pour le transfert ultérieur des données reçues vers le réseau plus large. Tout message reçu est transféré avec les messages dupliqués dédupliqués par le réseau récepteur.

Composant typique d'une passerelle LoRaWAN

• Antenne LoRa

L'antenne LoRa est utilisée pour capturer passivement les signaux des nœuds d'extrémité et transférer les données via un câble SMA connecté au connecteur SMA-femelle sur la carte radio de la passerelle. Les passerelles LoRa intérieures sont généralement fournies avec des antennes dipôles articulées avec un gain inférieur ou égal à 3 dBi. Ces antennes peuvent être détachées de la passerelle via le connecteur SMA et remplacées par des antennes LoRa externes plus puissantes ou un court trajet de câble d'antenne coaxial vers une antenne extérieure pour une plus grande couverture.

• Connecteur SMA

Les passerelles LoRa intérieures portent généralement un connecteur SMA (Nb. Les passerelles/mineurs Helium ont généralement un connecteur RP-SMA, vous utiliserez donc un câble RP-SMA pour vous connecter à l'antenne). Le connecteur SMA est monté sur le bord de la carte radio de la passerelle. Les passerelles LoRa extérieures sont presque toujours équipées du connecteur N, plus grand et plus robuste. Connecteurs GPS, WiFi et RF cellulaires (généralement SMA) à côté du connecteur d'antenne LoRa.

• Carte radio

Ce circuit imprimé fournit les chemins pour les signaux RF qui sont reçus de l'antenne LoRa et conduits via le connecteur SMA. Les signaux reçus sont déplacés à travers un commutateur unipolaire bidirectionnel (commutateur SPDT) qui crée deux sorties RF qui sont filtrées en fonction de la fréquence et conduites vers les modules émetteurs-récepteurs Semtech SX1257.

• Émetteurs-récepteurs Semtech SX1257

Pour la connectivité LoRaWAN, les passerelles transporteront des chipsets Semtech LoRa. Ces émetteurs-récepteurs LoRa sont chargés de démoduler le signal reçu et de le concentrer.

• Puce de bande de base numérique SX1301

Le signal concentré est ensuite transféré vers une puce numérique de bande de base, la SX1301, pour un traitement ultérieur du signal et un transfert vers la carte centrale de la passerelle LoRa.

• Carte mère de passerelle LoRa

Ce PCB contient un microcontrôleur à micropuce et est concerné par la réception des données transférées de la carte radio, la transmission des informations de paquet pour le transfert Ethernet. La carte centrale est capable d'encapsuler les données dans une structure JSON pour les transférer vers les serveurs réseau via un câblage Ethernet. Alternativement, si le modèle de passerelle le permet, le paquet de données transmis peut être transféré à l'aide d'un module WiFi ou d'un modem cellulaire à bord.

• Module GPS

Différents modèles de passerelle LoRa embarquent également un module GPS qui peut fournir des données de position et chronologiques pour l'unité. Ces données sont acquises via la carte radio et traitées, emballées et transmises via la carte centrale.

• Module d'alimentation

L'alimentation basse tension peut être fournie à une passerelle LoRaWAN via des ports micro-USB, USB, AC, DC ou PoE intégrés. La carte radio et la carte mère sont généralement protégées par des fusibles montés en surface pour la protection contre les surintensités.

Les composants de la passerelle LoRa sont logés dans des boîtiers adaptés à l'environnement dans lequel ils seront installés, tandis que les passerelles LoRaWAN extérieures sont logées dans des boîtiers robustes et durables.

Les passerelles LoRa fonctionneront soit à l'aide d'un micrologiciel minimal avec des mises à jour OTA pour le logiciel de transfert de paquets (moins cher et pratique), soit, dans les modèles plus coûteux, embarqueront un système d'exploitation intégré, qui permet un meilleur contrôle de l'opérateur sur la passerelle.

Bandes de fréquences de passerelle LoRa.

Les passerelles LoRa utilisent des bandes de fréquences sans licence dans le spectre radio. Il s'agit de:

Les antennes LoRaWAN sont spécialement conçues pour fonctionner sur des bandes de fréquences spécifiques qui varient en fonction de la région ou du pays en raison de restrictions réglementaires. Voici quelques-unes des principales bandes de fréquences pour les antennes LoRaWAN dans le monde:

1. Bande UE 868 MHz: Utilisée en Europe pour LoRaWAN, fonctionnant entre 863 et 870 MHz.
2. Bande 915 MHz des États-Unis: Utilisée principalement en Amérique du Nord, elle fonctionne entre 902 et 928 MHz.
3. Bande AU 915-928 MHz: Adoptée par l'Australie et la Nouvelle-Zélande.
4. Bande AS 923 MHz: Adoptée par divers pays asiatiques, dont Singapour, la Thaïlande et Hong Kong. Les fréquences exactes dans cette plage peuvent varier d'un pays à l'autre.
5. IN Bande 865-867 MHz: Utilisée en Inde.
6. Bande KR 920-923 MHz: Désignée pour la Corée du Sud.
7. Bande RU 864-868 MHz: Adoptée par la Russie.

Voir les notes de bas de page pour plus de détails sur les bandes de fréquences pour LoRa / LoRaWAN

Cela signifie que vous pouvez installer une passerelle LoRa sans licence, bien qu'il puisse y avoir des problèmes de zonage pour l'installation d'antennes LoRa extérieures.

Antennes pour passerelles LoRaWAN: connecteurs, types, applications

Protocoles et technologies sans fil compatibles

Les antennes LoRa prennent principalement en charge le protocole LoRa. Cependant, leurs caractéristiques inhérentes les rendent également adaptés à diverses autres technologies sans fil. Les principaux d'entre eux sont:

• LoRaWAN: Le protocole de réseau étendu spécialement conçu pour LoRa.
• Sigfox: Une autre technologie de réseau étendu à faible consommation.
• Bande de fréquence GSM / 900 MHz
• Bandes radio ISM (industrielles, scientifiques et médicales): Fréquences souvent utilisées pour la communication à faible débit de données dans diverses technologies.

Applications

1. Villes intelligentes: De la gestion du trafic aux services publics, les antennes LoRa aident à transmettre des données sur de vastes terrains urbains.
2. IoT dans l'agriculture: Dans l'agriculture de précision, ces antennes facilitent la collecte de données à partir de capteurs de sol et de stations météorologiques réparties dans les grandes exploitations agricoles.
3. IoT industriel: La surveillance des machines, de l'état des équipements et des conditions d'usine dans les vastes zones industrielles devient transparente.
4. L'IoT dans la gestion de la chaîne d'approvisionnement et la logistique: suivre les marchandises en temps réel dans de vastes zones géographiques.
5. Connectivité des zones éloignées: Établir des liens entre les communications dans les zones où les réseaux traditionnels sont défaillants.

Caractéristiques clés

• Longue portée: Conçu pour transmettre des données sur plusieurs kilomètres, même dans les zones urbaines denses.
• Faible consommation: garantit que les appareils connectés consomment un minimum d'énergie, ce qui est idéal pour les appareils IoT fonctionnant sur batterie.
• Performances robustes: Capable de fonctionner dans des environnements et des terrains difficiles oùétanche/imperméable est critique pour les composants.
• Types directionnels et omnidirectionnels  S'adressant à la fois à la communication point fixe à point et à la couverture de zone étendue, respectivement.

Connecteurs d'antenne typiques

Les antennes LoRa sont généralement livrées avec les types de connecteurs suivants:

• SMA
• RP-SMA
• U.FL
• De type N

Couples nominaux des connecteurs d'antenne

Le maintien du couple correct est essentiel pour assurer une connexion fiable et minimiser la perte de signal. Les couples nominaux typiques sont les suivants:

• SMA & RP-SMA: Environ 3-5 po-lb pour le serrage à la main.
• Type N: Environ 12 à 15 po-lb lors de l'utilisation d'une clé dynamométrique.

Types et composition typique des matériaux

1. Antennes fouet: Fabriqué à partir d'un noyau en acier flexible avec un revêtement de protection caoutchouté ou en plastique.
2. Antennes PCB: imprimées sur une carte de circuit imprimé. Ils sont généralement constitués de cuivre.
3. Antennes Yagi: Fabriquées principalement à partir d'éléments métalliques attachés à une perche. Les matériaux courants comprennent l'aluminium, le cuivre et parfois l'acier inoxydable.
4. Antennes dipôles: Généralement composées de deux tiges métalliques avec un point de connexion central.

Notes de bas de page: Détails sur les bandes de fréquences des antennes LoRa et LoRaWAN

Il est crucial de noter que toutes les parties de ces bandes ne sont pas toujours disponibles pour LoRaWAN, et qu'il peut y avoir des canaux spécifiques dans ces bandes désignés pour l'utilisation LoRaWAN. De plus, à mesure que les réglementations évoluent et que de nouvelles bandes sont adoptées ou ajustées, les fréquences spécifiques pour LoRaWAN peuvent changer.

Avant de déployer des appareils LoRaWAN dans une région, il est essentiel de s'assurer qu'ils fonctionnent dans les bandes légalement attribuées et qu'ils répondent à toute autre exigence réglementaire.

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