Comment récupérer et exploiter des données LoRa ?

Solution très populaire dans le domaine de l’IoT, le LoRa trouve sa place dans de nombreux secteurs d’activité allant de l’industrie au tertiaire en passant par les smart cities et les plateformes logistiques. Cette technologie relativement nouvelle ne cesse de faire parler d’elle mais son fonctionnement et son déploiement ne sont pas toujours clairs. Quels sont les enjeux auxquels le LoRa répond ? Quel est son fonctionnement ? Comment récupérer et exploiter des données de capteurs LoRa ?  

La technologie LoRa représente, par abus de langage, une solution de remontée d’informations IoT par l’intermédiaire de capteurs fonctionnant généralement sur batterie. Ce fonctionnement permet un déploiement simplifié de l’instrumentation en s’affranchissant des problématiques d’alimentation électrique et de câblage réseau. Les informations sont transportées par le biais d’ondes radio dont la portée peut s’étendre sur plusieurs kilomètres dans la limite des propriétés physiques de diffusion et réception radio.  

Le terme LoRa (signifiant « Long Range », soit « Longue portée ») représente une technologie propriétaire de modulation d’ondes radio par étalement de spectre. Créé à l’origine par la start-up française Cycleo puis racheté par l’entreprise Semtech, le LoRa permet de réduire les consommations énergétiques des objets connectés par la transmission d’informations de petite taille à faible débit sur de longues distances. De manière générale, une augmentation du débit de données implique une diminution de la distance d’émission ainsi qu’une consommation énergétique plus élevée. 

Le LoRaWAN (« Long Range Wide-Area Network », soit « réseau étendu à longue portée ») représente quant à lui le protocole radio utilisé pour la transmission et la réception des informations. Le LoRaWAN définit 3 classes d’équipement : 

• Classe A : Implique une communication monodirectionnelle de l’équipement. Cela permet à l’équipement d’émettre mais ne lui permet pas de réceptionner des informations. Cette classe est la plus économe en énergie.  
• Classe B : En plus de l’émission d’information, cette classe permet une réception périodique d’informations. Cette classe représente un compromis entre consommation d’énergie et besoin de communication bidirectionnelle. 
• Classe C : L’équipement est constamment en écoute ce qui permet une réception d’information permanente. Cette classe est la plus consommatrice en énergie.  

Soutenu par des acteurs réunis au sein de la LoRa Alliance, ce protocole permet d’établir des communications bidirectionnelles en optimisant le débit en fonction des conditions radio et permet une sécurité des échanges en termes d’intégrité et de chiffrement via une clef AES de 128 bits (spécification Advanced Encrypted Standard). 

Sigfox est un opérateur de télécommunications français spécialisé dans le M2M (Machine-to-Machine) utilisant sa propre technologie radio UNB (« Ultra Narrow Band »). Fonctionnant sur la même fréquence radio que le LoRaWAN, Sigfox utilise une technologie de modulation d’ondes radio permettant la transmission des informations sur une bande de fréquences très étroite, impliquant un débit de données fixe et plus faible que le LoRa. Cela a pour effet d’augmenter la distance d’émission ainsi que de réduire la consommation d’énergie. A l’inverse du LoRaWAN, le chiffrement des messages n’est pas disponible. 

Le protocole LoRaWAN se base sur une topologie de réseau en étoile. Cela signifie que différents capteurs ne peuvent pas communiquer directement entre eux. Chaque capteur communique avec un point de concentration pouvant être un équipement privé (réseau local) ou mutualisé via un opérateur de services (réseau opéré).  

Réseau Privé : 

Le déploiement d’un réseau privé permet de maîtriser l’intégralité de la chaîne de communication allant du producteur de l’information (capteur) vers les consommateurs de l’information (logiciels et systèmes tiers). Les points de concentrations, appelés concentrateurs ou passerelles (gateway en anglais), sont déployés et maintenus par l’utilisateur. Leur rôle est de concentrer les informations transmises par les capteurs radio et de les rendre accessibles aux systèmes SCADA, MES, GMAO ou de gestion énergétique au travers d’un réseau IP. 

Il est nécessaire d’avoir une réflexion quant au positionnement des passerelles et des capteurs en prenant en compte les contraintes physiques liées à la technologie radio pour garantir une communication efficace.  

Avantages d’un réseau privé : 

• Maîtrise de l’intégralité de la chaîne de communication, 
• Pas d’abonnement à un service tier, 
• Les informations transitent uniquement sur un réseau privé. 

Inconvénients d’un réseau privé : 

• Maintenance nécessaire sur les équipements et le réseau, 
• Connaissance en technologie radio pour le positionnement des capteurs et des passerelles. 

Réseau opéré : 

Le déploiement d’un réseau opéré signifie que la passerelle est déployée et maintenue par un opérateur de service via un abonnement. L’accès aux informations émises par les capteurs s’effectue au travers des outils fournis par l’opérateur en cloud. Cela implique donc que les données transitent sur Internet. Les consommateurs d’information (logiciels, systèmes tiers) doivent donc eux aussi être reliés à internet. 

Avantages d’un réseau opéré : 

• Large couverture réseau des opérateurs pour s’affranchir d’une partie des problématiques radio, 
• Les infrastructures sont maintenues par l’opérateur, 
• Outils de gestion des communications fournis par l’opérateur. 

Inconvénients d’un réseau privé : 

• Abonnement par capteur et par quantité d’informations relevées (selon l’opérateur) qui peut s’avérer coûteux, 
• Ouverture du réseau privé sur internet pour la récupération des informations. 

Un message LoRaWAN se présente sous la forme d’un Payload. Le Payload, que l’on peut traduire par « charge utile », représente les données d’un message sans les informations nécessaires à sa distribution, c’est-à-dire uniquement les données du capteur que l’on cherche à collecter, comme une valeur de température ou de mise en marche de machine par exemple. Le Payload est transmis sous forme hexadécimale et peut être crypté. Son format n’est pas normalisé, cela signifie que chaque constructeur de capteur est libre quant au codage des informations.  

Ci-dessous un exemple simplifié de l’organisation d’une trame de données issue de la documentation d’un compteur d’énergie LoRa. 

Cette trame est codée sur 10 octets (octet 0 à 9) : 

• Le premier octet (0) correspond au code d’identification de la trame. Cela permet d’identifier si la trame reçue contient des données mesurées ou des informations sur la configuration du capteur par exemple. 
• Le second octet (1) représente des informations de diagnostic du capteur (batterie faible, erreurs, …) 

• Les octets 2 à 9 représentent le Payload. Ce Payload est lui-même divisé en deux informations distinctes. La première se trouve de l’octet 2 à l’octet 5 et la seconde de l’octet 6 à l’octet 9. Ce Payload contient donc deux valeurs mesurées par le capteur. 

Certaines passerelles intègrent une bibliothèque de capteurs permettant le décodage automatique du Payload. Si vous n’utilisez pas un capteur faisant partie de la bibliothèque de la passerelle, il est nécessaire de consulter la documentation du constructeur pour identifier le découpage du Payload et configurer son décodage dans le système consommateur de l’information, comme la supervision, ou encore le MES. Cela signifie que votre logiciel doit être doté des outils nécessaires au décodage des Payloads.  

Les GTC et les supervisions des process sont déjà au cœur des problématiques d’acquisition des données de l’atelier ; par ailleurs les supervisions peuvent être connectées au MES, à la GMAO et encore par exemple à un logiciel de gestion énergétique afin de distribuer les données techniques. Si vous choisissez un logiciel SCADA qui embarque les outils de décodage de Payloads, vous serez donc en mesure d’exploiter la supervision pour la collecte, l’archivage et la mise à disposition des données LoRa. Par exemple, la suite logicielle PcVue Solutions est aujourd’hui une plateforme SCADA et IoT parfaitement adaptée à l’intégration de capteurs LoRa. 

Si vous avez fait le choix de déployer une plateforme de collecte et d’historisation de données ouverte sur les automatismes et les systèmes de gestion de l’entreprise (ERP, MES, GMAO, …), assurez-vous que celle-ci dispose des outils de décodage des Payloads. En plus de son rôle de datalogger et d’interopérabilité des différents systèmes, cette plateforme permettra de collecter les données des capteurs LoRa et de les mettre à disposition de la supervision, du MES, de la GMAO ou de n’importe quel logiciel métier. 

Soutenu par de nombreux acteurs pour ses qualités, le LoRa est de plus en plus adopté en France comme à l’international. Grâce à sa facilité de mise en place et sa longue portée de transmission, le LoRa se présente comme une très bonne solution en cas de déploiement de système de relève d’information dans des milieux à fortes contraintes de place, d’alimentation ou de réseau filaire.  

Il permet la relève d’informations simplifiées sans nécessiter l’intervention d’automatismes et sans impliquer de modifications sur l’équipement mesuré. Les informations sont centralisées et accessibles par divers systèmes SCADA, MES, GMAO, gestion énergétique, etc. à moindre coût.  

La clef du succès d’un déploiement LoRa est de s’assurer de disposer de logiciels intégrant les outils de décodage des messages. La supervision ou encore une plateforme dédiée à la collecte et l’historisation de données type plateforme 4.0 sont des solutions idéales parce que déjà nécessaires pour la conduite de vos opérations.

Article rédigé par notre expert : Adam Rispail, Technicien Support Produit chez ATYS CONCEPT