Utilisation du LPWAN pour les bâtiments intelligents et les réseaux de communication des bâtiments

La connectivité sans fil devient une technologie clé dans l'industrie du bâtiment intelligent en pleine expansion. Des millions de capteurs seront connectés pour fournir des données sur l'occupation, la qualité de l'air, la température et de nombreux autres paramètres. Des actionneurs devront également être connectés pour contrôler l'accès aux zones, ouvrir et fermer les fenêtres et les évents, allumer les pompes, etc. Ces activités ne nécessitent pas de grandes quantités de données, mais la connectivité doit être fiable, rentable et facile à interfacer avec les systèmes de gestion des données, que ce soit sur site ou dans le cloud.

Ces capteurs et actionneurs peuvent être connectés de différentes manières. Les connexions filaires peuvent être simples et économes en énergie, mais la modernisation des bâtiments existants peut être coûteuse. Pour cette raison, de nombreux développeurs de systèmes recherchent des systèmes sans fil.

Le Wi-Fi est une technologie sans fil populaire dans les bâtiments, mais elle est très peu économe en énergie, ce qui limite le placement de capteurs/actionneurs là où l'alimentation électrique est disponible. De plus, les réseaux de capteurs d'automatisation des bâtiments sont souvent séparés des réseaux Wi-Fi d'entreprise pour des raisons de sécurité.

En conséquence, les entreprises se tournent vers les technologies de réseau étendu à faible puissance (LPWAN) qui combinent la longue portée et la faible puissance requises pour les capteurs de bâtiments intelligents. Les LPWAN permettent de placer, voire de remplacer, des capteurs et des actionneurs à différents endroits, car les lieux de travail sont plus fréquemment reconfigurés. Cela nécessite un fonctionnement sur batterie longue durée, ce qui nécessite une connectivité à faible consommation d'énergie.

Cette capacité à faible consommation d'énergie est obtenue grâce à des protocoles spécialement conçus pour les applications de capteurs et d'actionneurs, plutôt qu'à la transmission de données multimédia. De nombreux LPWAN fonctionnent dans les bandes de fréquences sans licence de 433 MHz et 868 MHz en Europe, ou de 902 à 928 MHz en Amérique du Nord, ainsi que dans les bandes sans licence en Asie. Ces bandes communes inférieures au GHz offrent aux fabricants des économies d'échelle pour réduire le coût d'investissement des nœuds et des passerelles sans fil.

Le fonctionnement dans les bandes inférieures au GHz donne aux ondes radio une plus grande pénétration dans l'air, mais aussi à travers les murs. Cela signifie qu'une seule passerelle LPWAN peut prendre en charge des milliers de nœuds dans un bâtiment ou une portée allant jusqu'à 5 km en ville ou 15 km dans la zone la plus large. Cela a pour contrepartie une vitesse de transmission de données inférieure, normalement inférieure à 1kbit/sg, ce qui le rend très adapté aux nœuds de faible puissance requis pour les bâtiments intelligents.

Les protocoles sont conçus pour prendre en charge le fonctionnement à faible consommation de ces milliers de nœuds avec un faible cycle de service, de sorte qu'un nœud ne transmet qu'une fraction du temps. Cela réduit la consommation d'énergie d'un nœud et prolonge la durée de vie de la batterie à plusieurs années, jusqu'à une décennie. C'est une considération clé pour les bâtiments intelligents. S'il y a des milliers de capteurs sans fil dans un bâtiment, le remplacement des batteries peut être un travail à temps plein et réduire les économies de coûts des bâtiments plus intelligents. L'extension de la durée de vie utile des batteries au cycle de remplacement des nœuds de capteurs eux-mêmes réduit considérablement les dépenses d'exploitation (opex) du déploiement de la technologie.

Les protocoles LPWAN ont également ajouté une sécurité de cryptage et d'authentification pour garantir que les données sont entièrement protégées sur l'ensemble du réseau.

Avec des milliers de nœuds pris en charge par une seule passerelle longue portée pour chaque liaison, les LPWAN évitent d'avoir recours à des protocoles de réseau maillé plus complexes utilisés dans des technologies telles que Bluetooth Low Energy (BLE). Exiger que les nœuds transmettent les données des voisins dans un réseau maillé entraîne une surcharge avec le routage des paquets et augmente la consommation d'énergie. Au lieu de cela, des passerelles LPWAN supplémentaires peuvent être utilisées pour étendre le réseau à une zone plus vaste. Si la portée est prise en compte, une ville entière peut être couverte avec deux ou trois passerelles, ce qui signifie que des passerelles peuvent être ajoutées dans les zones où il y a une plus grande densité de nœuds. Cela permet à la fois une utilisation efficace du spectre et un déploiement à faible coût pour les plus grands bâtiments et les urbanistes intelligents.

Les LPWAN fonctionnant dans des bandes sans licence seront soumis au bruit RF. Un LPWAN de qualité doit être capable de fonctionner dans ce type d'environnement difficile tout en conservant une longue durée de vie de la batterie et une longue portée.

Un protocole LPWAN à norme ouverte, la norme LoRaWAN®, utilise un schéma de modulation qui fournit une forte réjection des canaux co-canaux et adjacents au niveau de la couche physique pour protéger le signal radio. La réjection dans le même canal avec interférence à porteuse unique est de 5 à 19 dB, selon le facteur d'étalement (SF), et la réjection de canal adjacent est de 60 à 72 dB.

Le protocole utilise une technique de modulation à spectre étalé dérivée de la technologie Chirp Spread Spectrum (CSS). Cela fournit un équilibre entre sensibilité et débit de données, tout en fonctionnant sur un canal à bande passante fixe de 125 KHz ou 500 KHz (pour les canaux de liaison montante), et 500 KHz (pour les canaux de liaison descendante). ).

LoRaWAN améliore encore le schéma de modulation en implémentant une commande de débit de données adaptatif (ADR) au niveau de la couche MAC. Cela permet à l'hôte du réseau de désactiver les canaux connus pour avoir de fortes interférences afin d'améliorer la qualité globale de la transmission des paquets et d'améliorer la durée de vie de la batterie.

L'utilisation de facteurs de propagation orthogonaux pour mettre en œuvre l'ADR fournit une puissance adaptative pour les niveaux de puissance et les débits de données des nœuds d'extrémité individuels. Par exemple, un équipement terminal situé à proximité d'une passerelle doit transmettre des données avec un faible facteur de dispersion, car très peu d'espace de liaison est nécessaire. Cependant, un équipement terminal situé à plusieurs kilomètres de la passerelle devra transmettre avec un facteur de dispersion beaucoup plus élevé. Ce facteur de dispersion supérieur fournit un gain de traitement supérieur et une sensibilité de réception supérieure, bien que le débit de données soit nécessairement inférieur.

Nœud LoRaWAN

Un nœud typique qui fonctionne avec la norme LoRaWAN se compose d'un émetteur-récepteur sans fil avec antenne et d'un microcontrôleur. Les nœuds se connectent à une passerelle, soit dans le bâtiment en tant que réseau privé, soit à un réseau LPWAN public.

Une passerelle de réseau privé dans un bâtiment intelligent se connecterait à un serveur LoRaWAN via une connexion Wi-Fi, cellulaire ou Ethernet à haut débit qui peut être séparée du système informatique de l'entreprise. Cela pourrait fonctionner comme un réseau entièrement sur site, ou il pourrait être basé sur le cloud pour fournir une console de gestion unique dans plusieurs bâtiments.

Les réseaux LPWAN construits par la communauté ou appartenant à l'opérateur ont des passerelles installées dans les zones urbaines pour fournir un service réseau via leurs propres serveurs cloud. Cela signifie que les gestionnaires de bâtiments n'ont qu'à ajouter des capteurs ou des actionneurs basés sur LPWAN sans se soucier de l'infrastructure plus large.

Pour les gestionnaires d'immeubles qui souhaitent un meilleur contrôle de leur infrastructure, le cloud est vital. Les fournisseurs de cloud tels qu'Amazon et Microsoft ont désormais intégré les protocoles LPWAN dans leurs systèmes pour connecter les appareils de l'Internet des objets (IoT) au cloud sans avoir besoin de provisionner ou de gérer des serveurs. Cela peut prendre en charge des milliards d'appareils, des billions de messages, et peut traiter et acheminer ces messages vers des points de terminaison cloud et d'autres appareils. Cela peut être fait de manière fiable et sécurisée et communiquer avec tous les nœuds.

Le service cloud peut ensuite connecter les données à d'autres services cloud. Cela permet un stockage de données évolutif, un apprentissage automatique et des bases de données pour collecter, traiter, analyser et agir sur les données générées par les nœuds d'un bâtiment intelligent.

L'utilisation d'algorithmes d'apprentissage automatique sur les données de plusieurs bâtiments peut fournir plus d'informations sur les performances de chaque bâtiment et offrir un aperçu de la façon dont le bâtiment est utilisé et de la manière dont les services peuvent être optimisés. Ces données peuvent également être utilisées pour l'analyse prédictive afin d'identifier le moment où l'équipement du bâtiment intelligent commence à avoir des problèmes afin qu'il puisse être remplacé avant qu'une panne ne perturbe les utilisateurs du bâtiment.

Les systèmes LPWAN sont un élément clé de l'infrastructure des bâtiments intelligents et LoRaWAN est de plus en plus reconnu comme la plate-forme de facto pour le LPWAN. La longue portée, la faible puissance et l'évolutivité du protocole offrent aux gestionnaires de bâtiments un moyen de fournir des données à partir des capteurs qui forment le cœur des systèmes. Différents types de réseaux, du privé au public en passant par le cloud, offrent une gamme d'approches de connexion allant des milliers de nœuds d'un bâtiment intelligent au système d'utilisation des données. [MOTS 1344]

Auteur : Marc Pegulu, vice-président du marketing et de la stratégie des produits IoT, groupe de produits de détection et sans fil, Semtech