Mais est-il vraiment facile de développer une nouvelle solution LoRa ou de migrer vers une solution existante ?
Comprendre une nouvelle technologie sans fil et choisir la solution adaptée à votre application peut s'avérer complexe. La conception de systèmes radiofréquences (RF) sans fil exige généralement une expertise approfondie dans ce domaine et allonge considérablement le temps de développement pour les concepteurs.
Cet article présente les quatre principaux éléments de l'architecture réseau LoRa et analyse en détail les difficultés les plus courantes rencontrées par les concepteurs lors du développement de nœuds terminaux LoRa. Nous verrons également comment les modules LoRa conformes aux normes peuvent contribuer à surmonter ces difficultés et à accélérer la mise sur le marché.
Architecture du réseau LoRaWAN :
LoRa est une technique de modulation sans fil (ou couche physique) permettant à des dispositifs finaux basse consommation de communiquer sur de longues distances. LoRaWAN est un protocole de réseau sans fil qui fait office de couche de contrôle d'accès au support (MAC) et est implémenté au-dessus de la couche physique LoRa. La spécification LoRaWAN détaille le protocole de communication et l'architecture du réseau, et vise à garantir la sécurité des communications entre les dispositifs finaux ainsi que l'interopérabilité au sein du réseau.
Le réseau LoRa comporte quatre éléments, comme illustré sur la figure 1.
1. Les nœuds finaux sont des éléments de l'écosystème LoRa qui collectent les données des capteurs et transmettent/reçoivent des données. Ils sont généralement connectés à distance et alimentés par batterie.
2. La passerelle assure une communication transparente entre les nœuds finaux et le serveur réseau. Les nœuds finaux utilisent généralement LoRaWAN pour se connecter à la passerelle, tandis que celle-ci utilise des réseaux à haut débit tels que le Wi-Fi, l'Ethernet ou les réseaux cellulaires pour se connecter aux réseaux.
3. Un serveur réseau se connecte à plusieurs passerelles. Il collecte les données des passerelles, filtre les messages dupliqués, détermine quelle passerelle doit répondre aux messages des nœuds finaux et ajuste les débits de données pour optimiser l'autonomie des batteries des nœuds finaux.
4. Le serveur d'application collecte les données des nœuds finaux et contrôle les actions des dispositifs qui y sont connectés.
Examinons plus en détail ce que sont les nœuds finaux LoRa et les défis que pose leur conception.
Défis courants liés à la conception des nœuds finaux LoRa :
Les nœuds finaux sont des objets simples, tels que des capteurs et des actionneurs. Ils représentent généralement les « objets » de l'Internet des objets (IoT). Dans l'écosystème LoRaWAN, un nœud final communique avec le serveur réseau via une ou plusieurs passerelles.
Les nœuds finaux LoRa sont généralement des applications économiques, alimentées par batterie, qui doivent être très économes en énergie et en coûts. Selon le temps de développement, le budget, la consommation d'énergie et l'expertise RF disponible, plusieurs options existent pour la conception de nœuds finaux LoRa. Avant d'analyser ces options, examinons les principaux défis rencontrés par les concepteurs, ce qui nous aidera à choisir le produit le plus adapté.
Les principaux défis liés à la conception de cette architecture de nœud final sont les suivants :
1. Conception RF.
Comme pour toute conception sans fil, une expertise approfondie en conception RF est indispensable pour concevoir des nœuds finaux LoRa. Lors de l'utilisation de SoC/SiP LoRa, le développeur du dispositif de nœud final est responsable de l'intégralité de la conception RF, y compris les schémas, la nomenclature, l'implantation du circuit imprimé, le réglage de l'antenne et les autres composants matériels RF. Même avec une documentation et des guides de conception d'applications de qualité, la conception RF n'est pas toujours simple. Elle exige non seulement des connaissances approfondies en RF, mais aussi un temps de développement considérable. Le débogage des conceptions RF nécessite souvent un équipement spécialisé, ce qui augmente les coûts de développement. Pour pallier ces difficultés, certains fournisseurs proposent des SoC/SiP avec une documentation complète, des conceptions de référence certifiées conformes aux normes et des dossiers de conception de puce détaillés. Toutefois, pour minimiser les délais de développement et les risques, un module LoRa optimisé, testé et certifié RF reste presque toujours la meilleure option. Ces modules peuvent fournir une solution complète sous la forme d'un composant unique, réduisant ainsi les risques liés à la conception et le temps de développement.
2. Conformité réglementaire et certifications :
Les radios LoRa/sub-GHz fonctionnent généralement dans la bande ISM sans licence, et les fréquences varient selon les régions, ce qui représente un défi pour les concepteurs de matériel et de logiciel. Il est essentiel de concevoir une solution conforme à la réglementation tout en minimisant les coûts de nomenclature. De plus, les exigences réglementaires en matière de radiofréquences évoluent constamment. Se tenir au courant des changements réglementaires, tester à nouveau les appareils et les recertifier peut coûter aux développeurs de nœuds finaux plusieurs milliers de dollars et un temps d'ingénierie précieux qui pourrait être consacré à de nouveaux projets. L'utilisation d'un module LoRa certifié résout facilement ce problème, car le fabricant du module est responsable de la mise à jour des exigences réglementaires et de la recertification des modules selon les dernières spécifications. Tous ces coûts et le temps consacré à la conformité réglementaire peuvent être complètement évités en choisissant un module LoRa certifié conforme aux normes.
3. Fonctionnement multirégional :
Les dispositifs LoRa prennent en charge plusieurs fréquences selon la région. Souvent, les fabricants de nœuds finaux lancent d’abord leurs produits dans une région majeure. Lorsque la demande augmente, les entreprises envisagent d’étendre la même conception à d’autres régions. Disposer d’une référence unique compatible avec plusieurs régions permet une migration et une extension aisées du produit final vers différents pays et régions. Un module LoRa certifié conforme aux normes réglementaires et fonctionnant sur plusieurs bandes de fréquences est idéal pour ce type d’extension de produit.
4. Logiciel robuste
: Généralement, les modules LoRa intègrent l’intégralité de la pile LoRaWAN. Le développeur du nœud final n’a donc qu’à implémenter l’initialisation et la communication avec le module. Avec les SoC/SiP LoRa et les modules LoRa autonomes, la pile doit être fournie par le fabricant ; à défaut, le développeur doit développer sa propre pile. Afin de minimiser le développement logiciel, il est recommandé de choisir des modules/circuits intégrés LoRa compatibles avec la pile LoRaWAN du fabricant. Les piles LoRaWAN éprouvées des fabricants garantissent l’interopérabilité des nœuds finaux avec les principaux réseaux et passerelles LoRaWAN, permettant ainsi aux nœuds finaux de fonctionner sur différents réseaux avec un risque réduit.
5. Migration des modules vers les SoC.
De nombreuses entreprises débutent leurs prototypes et leurs premières séries de production avec des modules certifiés afin de réduire les risques et d'accélérer la commercialisation de leurs produits. Une fois leur production lancée, elles peuvent opter pour des SoC/CI LoRa afin d'accroître leur flexibilité ou de réduire leurs coûts de nomenclature. La migration n'étant pas toujours simple, il est crucial d'envisager des modules autonomes permettant une migration logicielle aisée entre modules et CI. De plus, il est essentiel de choisir des fournisseurs proposant à la fois des modules et des SoC, afin de garantir la cohérence de la plateforme de développement, de la migration logicielle et du support.
Les modules LoRa certifiés conformes aux normes réglementaires contribuent à surmonter les difficultés et à simplifier la conception des nœuds finaux LoRa. 
Intégrant tous les composants radio nécessaires, ainsi que la pile LoRaWAN et les circuits RF, ils sont idéaux pour un développement plus rapide des dispositifs finaux LoRaWAN. Le développement RF et la certification étant gérés par le fabricant du module, toute modification des spécifications de certification ou tout remplacement de composant est entièrement pris en charge par ce dernier, ce qui permet aux fabricants de dispositifs utilisateurs finaux de réaliser d'importantes économies de temps de développement et de coûts de recertification.
Les modules LoRa autonomes, dotés de circuits intégrés LoRa hautement intégrés, offrent une mémoire suffisante pour exécuter le code applicatif ainsi que la pile LoRaWAN. Ceci élimine le besoin d'un microcontrôleur externe, ce qui permet de gagner de la place sur la carte et de réduire les coûts du système. Les figures 2 et 3 illustrent un exemple simple d'un tel module autonome. Le module WLR089U0, basé sur la famille de circuits intégrés SAM R34/35 de Microchip Technology, est un module compact doté de 256 Ko de mémoire flash et de 40 Ko de RAM, idéal pour les applications où l'espace est limité. De plus, le module intègre un commutateur RF, permettant un fonctionnement multibande et son utilisation dans plusieurs régions géographiques, facilitant ainsi l'expansion commerciale des produits destinés aux utilisateurs finaux. Le WLR089U0 est également compatible avec la pile LoRaWAN éprouvée de Microchip et son logiciel peer-to-peer propriétaire, simplifiant le développement logiciel pour les utilisateurs finaux qui créent des applications LoRa. Grâce à l'utilisation des circuits intégrés SAM R34/35, la migration est également beaucoup plus simple, aussi bien des modules vers les circuits intégrés que l'inverse. Choisir un module comme celui-ci permet de surmonter les difficultés de conception habituelles liées au développement des nœuds finaux LoRa, et de rationaliser l'ensemble du processus de conception.
Conclusion
Le développement de nœuds finaux LoRa peut s'avérer complexe et chronophage. Les modules LoRa hautement intégrés et certifiés offrent une solution éprouvée et simple pour surmonter les difficultés liées à la conception de ces nœuds. Un logiciel fiable, une mémoire importante, des commutateurs RF intégrés et des certifications réglementaires figurent parmi les caractéristiques essentielles à rechercher dans les modules LoRa. Opter pour un module LoRa hautement certifié simplifie non seulement le processus de conception, mais permet également aux développeurs de nœuds finaux de différencier efficacement leurs produits et de les commercialiser plus rapidement.
