IMA4 2017/2018 P6

Présentation générale

Introduction

On estime à 20 milliards le nombre d’objets connectés d’ici 2020. Parmis ces objets, un grand nombre d’entre eux feront parti de ce qu’on appelle l’Internet des Objets (IoT) permettant de bâtir les villes et bâtiments connectés. La technologie LoRa (Long Range) est une des technologie permettant de créer des réseaux pour ces objets connectés.

Description

Cette technologie s’appuie sur la modulation LoRa (une modulation à étalement de spectre, bande fréquence 868Mhz), couche physique du modèle OSI créé par la startup francaise Cycléo, racheté par la société Semtech en 2012. La technologie LoRa permet de créer des réseaux sans fils sécurisés longue portée (2km en ville, 15km en campagne) et basse consommation.

Le protocole LoRaWAN constitue les couches supérieures du modèle OSI est est développé par l’alliance LoRa qui compte plus de 100 membres (des sponsors comme Semtech, IBM, Cisco, des contributeurs comme Microchip, des revendeurs comme IMST). Il utilise la bande radio libre ISM (Industrielle, Scientifique & Médicale) pour connecter les objets embarquant des radios LoRa reliés au réseau par le biais de concentrateurs.

Un réseau LoRaWAN est composé de 4 éléments :

• Les appareils (End Devices) : Équipé de capteurs et d’une radio LoRa, communiquent avec les concentrateurs via le protocole LoRaWAN transmis par modulation LoRa. La spécification LoRaWAN distingue plusieurs classes d’appareils :
  • Classe A : Les appareils peuvent communiquer à tout moment avec le serveur. Le serveur ne peut cependant communiquer avec les appareils que lorsqu’ils ouvrent leur fenêtre de réception (pendant un court instant après l’envoi de données au serveur). C’est la classe qui permet d’assurer une très basse consommation de l’appareil (>8 ans moyenne).
  • Classe B : Extension de la classe A, les appareils ouvrent leur fenêtre de réception périodiquement.
  • Classe C : Extension de la classe A, les appareils ont leur fenêtre de réception ouverte en permanence (sauf lorsqu’ils émettent). Cette classe permet d’assurer le moins de latence possible, c’est toutefois la plus énergivore.
• Les concentrateurs ou passerelles (GateWay) dont équipés d'une machine hôte sur laquelle est installé un "packet forwarder" permettant de centraliser les données des appareils LoRa et de les convertir en paquets TCP. Ces paquets seront transmis à une machine serveur (Network Server) en TCP/IP.
• Le serveur LoRaWAN gère la réception des paquets de données et les convertit pour les envoyer à l’application de l’utilisateur. Il permet également d’adapter dynamiquement le débit de données et d’assurer les respect du temps d’utilisation de la bande radio (Duty Cycle)
• Le serveur d’application (Application Server) : Objectif final du réseau, permet d’exploiter les données reçues par les capteurs via une page web par exemple.

Objectifs

Développer un réseau LoRaWAN "maison" et évaluer les possibilités d'attaques.

Analyse du projet

Positionnement par rapport à l'existant

De nombreux projets utilisent déjà la technologie LoRa mais se basent sur le serveur public The Thing Network. On fait ici le choix d'utiliser un serveur privé (sous forme d'un simple ordinateur) afin de contrôler au mieux la sécurité des données. (cryptées en AES-128 de bout en bout) Le but de ce projet sera également de concevoir des appareils de coût relativement faible, le plus petit possible.

Analyse du premier concurrent

A l'heure actuelle, le seul vrai concurrent de LoRa en terme de possibilités est Sigfox, créé en 2009. LoRa arrive donc 3 ans plus tard, mais les nombreux avantages par rapport à son concurrent lui permettent de s'immiscer sur le marché : Taille maximale des messages : 242 octets (12 pour Sigfox) Nombre de messages par jour illimités (à condition de respecter le duty-cycle) (140 msg/jour pour Sigfox) Immunité contre les interférence élevé grâce à la modulation à étalement de spectre (basse pour Sigfox) Coût d’installation et de maintenance faible (Sigfox nécessite un abonnement) Open Source du moment qu’on achète les puces (Sigfox est propriétaire)

Analyse du second concurrent

La 5G déjà en développement pourrait prendre un certain temps avant d'être courant sur le marché. Cependant, Orange à lancé la LTE-M, une évolution de la G spécialement dédié au objets connectés.

LTE-M proposera des débits allant jusqu'a 10Mb/s et bénéficiera de l'itinérance puisqu'ils se base sur le réseau 4G existant.

Scénario d'usage du produit ou du concept envisagé

Dans le cadre de sa politique d’amélioration continue, l’école Polytech Lille déploie un réseau LoRaWAN dans son établissement. Ce réseau longue portée et faible consommation permet l’installation de petits appareils dotés de capteurs dans les salles de classe permettant d’obtenir divers informations sur les salles pour réduire la consommation en énergie ou connaître l’occupation des salles. Des capteurs de luminosité sont installés dans les salles et permettent de repérer les endroits où les lumières sont allumées. Des capteurs de température permettent de contrôler la température des salles. Des capteurs de contact installés sur les fenêtres permettent de détecter les fenêtres ouvertes. Des capteurs de présence permettent de savoir si la salle est occupée.

Les capteurs sont associé à un micro-controlleur de type STM32 sur lequl est installé une radio LoRa. Ces capteurs sont reliés en réseau à un concentrateur LoRa doté d'une RaspBerryPi sur laquelle tourne un convertisseur de paquets LoRa en paquets TCP. L’utilisateur ciblé est l’appariteur de l’école, il pourra contrôler depuis une page web les différentes statut des capteurs lors de la fermeture le soir : fenêtres fermées, lumières éteintes, chauffage baissé raisonnablement, salles vides.

Réponse à la question difficile

Quels sont les limites du sujet ?

Dans un premier temps le but du projet sera de déployer le concentrateur, puis de déployer le réseau de capteurs. Ensuite une étude approfondie sur les méthode de cryptage utilisées par LoRa sera menée afin de déceler d'éventuelles failles de sécurité. Enfin, il sera intéressant de faire des tests sur le réseau LoRa.

Quel tests seront effectués ? (portée, consommation énergétique etc...)

Des tests de portée seront réalisés afin de déterminer la distance maximale de réception des données. Des tests de consommation énergétique seront menés afin d’estimer la durée de vie de la batterie ou des piles pour les End Devices.

Réalisation du Projet

Feuille d'heures

Tâche	Prélude	Heures S1	Heures S2	Heures S3	Heures S4	Heures S5	Heures S6	Heures S7	Heures S8	Heures S9	Heures S10	Total
Analyse du projet	0