Les technologies LPWAN et IoT rendent l'agriculture plus intelligente

L’agriculture est l’un des secteurs les plus importants de l’économie mondiale. Mais comment la rendre plus intelligente avec les technologies LPWAN et IoT ?

Sachant qu’elle représente environ 10% du PIB mondial et emploie plus de 1,3 milliard de personnes ; soit environ 15% de la population mondiale. La technologie joue un rôle crucial dans le secteur agricole, car elle permet aux agriculteurs d’être plus efficaces, productifs et rentables.

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Qu’est ce que le LPWAN ou Low-power WAN ? Définition !

Le réseau étendu à faible puissance (Low-power WAN – LPWAN) est une technologie de réseau étendu sans fil qui permet d’interconnecter des dispositifs à faible bande passante, alimentés par batterie, avec de faibles débits binaires sur de longues distances. Avec la croissance exponentielle de l’IoT, les solutions LPWAN deviennent essentielles ; et le marché du LPWAN et ses cas d’usages se développent à toute vitesse.

Pourquoi utiliser le LPWAN ?

Créés pour les réseaux machine à machine (M2M) et l’internet des objets (IoT), les réseaux cellulaires LPWAN (Low power wide area) fonctionnent à moindre coût avec une plus grande efficacité énergétique que les réseaux mobiles traditionnels. Ils sont également capables de prendre en charge un plus grand nombre d’appareils connectés sur de grandes surfaces/vastes zones à faible coût.

Les LPWAN peuvent prendre en charge des paquets de 10 à 1 000 octets à des vitesses de liaison montante allant jusqu’à 200 Kbps. La longue portée des LPWAN varie de 2 à 1 000 km ; selon la technologie utilisée.

La plupart des LPWAN ont une topologie en étoile où, comme pour le Wi-Fi, chaque point d’extrémité se connecte directement à des points d’accès centraux communs.

LPWAN

Types de LPWAN

Le LPWAN n’est pas une technologie unique. C’est un ensemble de diverses technologies de réseaux étendus de faible puissance qui prennent de nombreuses formes. En effet, il existe une multitude d’implémentations du LPWAN qui peuvent variés selon les cas d’usages.

Les réseaux LPWAN cellulaires peuvent utiliser des bandes de fréquences sous licence ou sans licence et inclure des options propriétaires ou des normes ouvertes.

Sigfox

Le réseau propriétaire sans licence Sigfox est l’un des LPWAN cellulaires les plus largement déployés aujourd’hui.

Fonctionnant sur un réseau public dans les bandes de fréquences 868 MHz MHz en Europe, ou 915 MHz en Amérique du Nord, cette technologie à bandes de fréquences ultra étroite n’autorise qu’un seul opérateur par pays. Bien qu’elle puisse transmettre des messages sur des distances de 30 à 50 km dans les zones rurales, de 3 à 10 km en milieu urbain et jusqu’à 1 000 km dans les applications de ligne de site. La taille de ses paquets est limitée à 150 messages de 12 octets par jour. 

Les paquets de la liaison descendante sont plus petits, limités à quatre messages de 8 octets par jour. L’envoi de données aux points d’extrémité peut également être sujet à des interférences.

RPMA

L’accès multiple à phase aléatoire, ou RPMA, est un LPWAN propriétaire d’Ingenu Inc.

Bien que sa portée soit plus courte (jusqu’à 50 km en visibilité directe et 5 à 10 km en visibilité indirecte), il offre une meilleure communication bidirectionnelle que Sigfox. Cependant, comme il fonctionne dans le spectre des 2,4 GHz, il est sujet aux interférences du Wi-Fi, du Bluetooth et des structures physiques. De plus, sa consommation d’énergie est généralement plus élevée que celle des autres options LPWAN.

LoRa WAN

La technologie LoRa sans licence, spécifiée et soutenue par l’Alliance LoRa, transmet dans plusieurs fréquences inférieures au gigahertz ; ce qui la rend moins sujette aux interférences.

Dérivé de la modulation à spectre étalé chirp (CSS), LoRa permet aux utilisateurs de définir la taille des paquets. Bien qu’elle soit open source, la puce émettrice-réceptrice sous-jacente utilisée pour mettre en œuvre LoRa n’est disponible qu’auprès de Semtech Corporation, la société à l’origine de cette technologie. LoRaWAN est le protocole de la couche de contrôle d’accès au support (MAC) qui gère la communication entre les appareils LPWAN et les passerelles.

Weightless SIG

Weightless SIG a développé trois normes LPWAN : Le Weightless-N unidirectionnel, le Weightless-P bidirectionnel et le Weightless-W, qui est également bidirectionnel et fonctionne à partir du spectre TV inutilisé.

Weightless-N et Weightless-P sont souvent les options les plus populaires en raison de la durée de vie plus courte de la batterie de Weightless-W. Weightless-N et Weightless-P fonctionnent dans le spectre sans licence des sous-1 GHz ; mais prennent également en charge le fonctionnement du spectre sous licence à l’aide de la technologie à bande étroite de 12,5 kHz.

NB-IoT et LTE-M

Narrowband-IoT (NB-IoT) et LTE-M sont toutes deux des normes du projet de partenariat de 3e génération (3GPP) qui fonctionnent sur le spectre sous licence. Bien que leurs performances soient similaires à celles d’autres normes, elles fonctionnent sur l’infrastructure cellulaire existante. Ce qui permet aux fournisseurs de services d’ajouter rapidement la connectivité IoT cellulaire à leur portefeuille de services.

NB-IoT, également connu sous le nom de CAT-NB1, fonctionne sur l’infrastructure LTE et GSM (Global System for Mobile) existante. Il offre des débits de liaison montante et descendante d’environ 200 Kbps, en utilisant seulement 200 kHz de bande passante disponible.

LTE-M, également connu sous le nom de CAT-M1, offre une bande passante plus élevée que NB-IoT, et la bande passante la plus élevée de toutes les technologies LPWAN.

Quel système offre à la fois la plus longue portée et la plus faible consommation ?

Les réseaux LPWAN sont des réseaux spécialisés dans la transmission de données sur de longues distances avec une basse consommation d’énergie. Ces réseaux sont idéaux pour les applications qui nécessitent une faible bande passante ; telles que la surveillance des réseaux électriques, le suivi des véhicules et la gestion de l’eau.

Les autres technologies réseau LPWAN sont les suivantes :

  • GreenOFDM de GreenWaves Technologies
  • DASH7 de Haystack Technologies Inc.
  • Symphony Link de Link Labs Inc.
  • ThingPark Wireless d’Actility
  • Ultra Narrow Band de diverses sociétés, dont Telensa, Nwave et Sigfox.
  • WAVIoT

LPWAN vs. cellulaire, RF, mesh

Si Bluetooth, Zigbee et Wi-Fi conviennent à la connectivité IoT grand public, de nombreuses applications IoT, en particulier dans les déploiements industriels, civiques et commerciaux, bénéficient d’un LPWAN qui permet de prendre en charge de manière rentable un grand nombre de dispositifs de faible puissance dans une zone étendue.

Contrairement aux technologies sans fil antérieures, le LPWAN offre une connectivité omniprésente et économe en énergie. Ce qui permet de mettre en œuvre davantage d’applications M2M et usages IoT dont le coût était auparavant prohibitif. Toutefois, la quantité de données pouvant être transmises constitue un compromis important. Or, selon James Brehm & Associates, 86 % de tous les appareils IoT utilisent moins de 3 Mo de données par mois. Aussi, le 3GPP estime que 99,9 % des appareils LPWAN utiliseront moins de 150 Ko de données par mois ; on sera proche de de l’ordre de quelques octets. Pour rappel, les standards de la 5G sont aussi définis par 3GPP.

Les réseaux cellulaires souffrent souvent d’une faible autonomie et peuvent présenter des lacunes en termes de couverture. Les technologies cellulaires sont également fréquemment renouvelées. Étant donné que de nombreux dispositifs IoT sont déployés pour 10 ans ou plus, l’extinction de la couverture cellulaire n’est pas une option envisageable.

Les technologies de radiofréquence (RF), telles que Bluetooth et les communications en champ proche (NFC), n’ont pas la portée requise par de nombreuses applications IoT.

Les technologies de maillage, telles que Zigbee, sont mieux adaptées aux applications IoT à moyenne distance, comme les maisons ou les bâtiments intelligents. Elles ont des débits de données élevés et sont beaucoup moins économes en batterie que le LPWAN.

Applications LPWAN

Avec des besoins en énergie réduits, des portées plus longues et des coûts inférieurs à ceux des réseaux mobiles traditionnels, les LPWAN permettent un certain nombre d’applications machine to machine et IoT ; dont beaucoup étaient auparavant limitées par les budgets et les problèmes d’énergie.

Le choix d’un LPWAN dépend de l’application spécifique, à savoir la vitesse, les quantités de données et la zone couverte souhaitées. Les LPWAN sont les mieux adaptés aux applications nécessitant la livraison peu fréquente de petits messages sur la liaison montante. La plupart des technologies LPWAN ont également des capacités de liaison descendante.

Les LPWAN sont couramment utilisés dans des applications telles que les compteurs intelligents, l’éclairage intelligent, la surveillance et le suivi des actifs, les villes intelligentes, l’agriculture de précision, la surveillance du bétail, la gestion de l’énergie, la fabrication et les déploiements IoT industriels.

Sécurité LPWAN

Les différentes technologies LPWAN offrent des niveaux de sécurité variables. La plupart comprennent l’authentification de l’appareil ou de l’abonné, l’authentification du réseau, la protection de l’identité, le chiffrement standard avancé (AES), la confidentialité des messages et le provisionnement des clés.

L’avenir du LPWAN

En tant que technologie relativement nouvelle, le paysage LPWAN est en constante évolution et loin d’être mature. Avec de nombreux acteurs sur le marché, il est difficile de savoir qui sera le(s) gagnant(s), d’autant plus que la vitesse d’expansion du marché est également inconnue.

Les performances à long terme de chaque variante du LPWAN sont également incertaines, car beaucoup d’entre elles n’en sont encore qu’au stade des déploiements initiaux et les tests en conditions réelles à grande échelle n’ont pas encore été réalisés.

Etude de cas : LPWAN, IoT et agriculture

Les professionnels de l’agriculture d’aujourd’hui doivent fortement considérer comment certaines technologies pourraient les aider à rester compétitifs.

Les réseaux étendus à faible puissance (LPWAN) et l’Internet des objets (IoT) sont deux technologies souvent utilisées ensemble pour aider les agriculteurs à atteindre leurs objectifs. Les technologies LPWAN et IoT leur permettent de s’aventurer dans la smart agriculture. L’IoT dans l’agriculture est déjà de plus en plus courant.

Voici pourquoi son utilisation avec le LPWAN peut permettre aux agriculteurs d’obtenir des résultats encore meilleurs.

Les technologies LPWAN et IoT rendent l'agriculture plus intelligente

Collecte de données

Plus les professionnels de l’agriculture disposent de données fiables, plus il leur est facile de prendre des décisions sûres pour assurer le bon fonctionnement de leurs exploitations. Les agriculteurs peuvent s’engager dans des pratiques plus durables en réduisant leur utilisation d’engrais et en diminuant l’utilisation des ressources. Les capteurs de collecte de données les aident à établir des bases de référence et à étudier les moyens les plus efficaces de réaliser des progrès significatifs.

Nombreux sont ceux qui pensent immédiatement à des exploitations agricoles réparties sur des champs tentaculaires, avec des cultures disposées en rangs bien ordonnés s’étendant à perte de vue. Cependant, ce ne sont pas les seules options. L’agriculture urbaine au milieu des villes est de plus en plus populaire. Les gens font souvent preuve de créativité pour que ces projets fonctionnent ; y compris à la verticale. Même le toit d’un parking à Singapour a été réaffecté à l’agriculture.

L’architecture LPWAN permet bien d’autres usages

Les recherches indiquent que les options LPWAN et IoT fonctionnent bien pour surveiller la météo et les conditions du sol dans les fermes urbaines. Leurs exemples d’application ne s’arrêtent pas là. Ces solutions pourraient recueillir des données précieuses pour les personnes qui souhaitent cultiver en ville.

Dans un autre exemple d’application, une collaboration entre deux entreprises a consisté à déployer l’IoT et un réseau à longue portée (LoRa) pour en savoir plus sur les causes du stress des cultures dans une exploitation d’avocats en Nouvelle-Galles du Sud, en Australie. Cet effort de collecte de données comprenait des capteurs pour mesurer le flux de sève, les déficits de pression de vapeur ; et plus encore. Les résultats ont été utilisés pour établir un lien entre le taux d’humidité et la chute des fruits.

Il n’est pas toujours facile, ni même possible, pour les agriculteurs de trouver des liens entre de bons ou de mauvais événements et des incidents environnementaux ou de soins aux cultures. Toutefois, les progrès de l’agriculture intelligente peuvent les aider à identifier plus souvent ces liens si importants. Ils peuvent ensuite utiliser ces informations nouvellement acquises pour progresser davantage et éviter les écueils.

Des informations utiles sur le bétail

Autre exemple d’application : le suivi du bétail. Les maladies liées au bétail peuvent rapidement se propager à l’ensemble des troupeaux. Affectant considérablement la capacité des agriculteurs à réaliser les bénéfices escomptés. Cependant, au moment où les animaux semblent extérieurement malades, il est souvent trop tard pour les mettre en quarantaine. L’utilisation de l’IdO dans l’agriculture pourrait changer cela.

De nombreuses solutions sur le marché sont très discrètes et faciles à utiliser, comme les étiquettes d’oreille pour les vaches. Elles suivent les changements de santé et de comportement, informant les agriculteurs plus tôt que quelque chose pourrait ne pas aller avec les animaux. Ces solutions permettent également de localiser les animaux en temps réel. Cette fonctionnalité est particulièrement pratique si le bétail est perdu ou si un agriculteur soupçonne un vol.

Dans une étude, les chercheurs ont testé une solution IoT LoRa sur des moutons en pâturage. La technologie a montré les endroits précis où les moutons passaient leur temps et a suivi les changements de comportement sur des périodes de 24 heures. Les personnes impliquées dans la recherche ont conclu que leur travail pourrait alerter les agriculteurs sur des situations de danger de mort ou des cas où les moutons ont commencé à s’échapper du champ. Ils ont également cité d’autres études dans lesquelles des capteurs intelligents ont été utilisés pour détecter les boiteries ou les chaleurs chez les moutons.

Une combinaison qui change la donne

Grâce à des développements comme celui-ci, il est facile de reconnaître le potentiel de l’utilisation de LPWAN et de l’IoT dans l’agriculture ; et ses nombreux cas d’usages. De nombreux professionnels de l’agriculture ont investi d’énormes sommes d’argent dans leurs efforts. Si ces tentatives échouent trop souvent, les résultats pourraient être dévastateurs. La smart agriculture ne peut pas résoudre tous les problèmes affectant les agriculteurs. En revanche, elle peut alléger nombre de leurs charges et les aider à rester performants. 

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