Industrial control and monitoring system

Abstract

Face aux exigences croissantes des environnements industriels modernes en matière de surveillance fiable, de longue portée et de faible consommation énergétique, les systèmes de télé-supervision traditionnels montrent leurs limites, notamment dans les sites isolés ou hostiles où le déploiement d'infrastructures réseau classiques reste coûteux et complexe. Ce projet de fin d'études propose la conception et la réalisation d'une architecture de télé-supervision industrielle basée sur la communication LoRa Point-à-Point (P2P) et la plateforme de traitement de flux Node-RED. Le système développé repose sur des noeuds capteurs intelligents construits autour du microcontrôleur ESP32 couplé à un module LoRa, chargés d'acquérir en temps réel des grandeurs physiques industrielles critiques, puis de les transmettre sans fil sur de longues distances avec une consommation d'énergie minimale. L'architecture adoptée s'articule autour de deux entités principales : un noeud émetteur assurant l'acquisition et la transmission des données, et un noeud récepteur passerelle chargé de réceptionner, traiter et acheminer ces données vers un tableau de bord de supervision. La logique embarquée est gérée par un firmware développé sous FreeRTOS, modélisé à travers des diagrammes UML (classes, séquences, activités) et une machine d'états rigoureuse pour garantir la fiabilité du cycle acquisition-transmission-réception-visualisation. Côté supervision, un serveur MQTT est déployé pour assurer le transport léger des données, tandis que Node-RED est utilisé pour construire une interface HMI intuitive accessible depuis smartphone, offrant une visualisation temps réel des paramètres industriels surveillés. Une validation expérimentale du prototype complet est réalisée afin d'évaluer les performances du système en termes de portée, de latence, de fiabilité de transmission et de réactivité de l'interface de supervision. Ce travail s'inscrit dans le domaine de l'Industrie 4.0, à l'intersection de l'IIoT, du SCADA et des réseaux LPWAN, et ouvre des perspectives prometteuses vers des architectures de supervision distribuée, évolutives et économiquement accessibles pour les environnements industriels contraignants. Mots clés :Contrôle industriel ; Supervision industrielle ; SCADA ; Internet des Objets Industriel (IIoT) ; ESP32 ;LoRa ; MQTT ;Modbus TCP/IP ; Node-RED ; Automate Programmable (API/PLC) ; Edge Computing ; Capteurs industriels ; ESP-NOW ; IHM (Interface Homme-Machine) ; Télésupervision. Abstract Facing the growing demands of modern industrial environments for reliable monitoring, long-range communication, and low energy consumption, traditional supervisory systems show their limitations, particularly in isolated or hostile sites where deploying classical network infrastructures remains costly and complex. This final year project proposes the design and implementation of an industrial tele-supervision architecture based on LoRa Point-to-Point (P2P) communication and the Node-RED data flow platform. The developed system relies on intelligent sensor nodes built around the ESP32 microcontroller coupled with a LoRa module, responsible for acquiring critical industrial physical quantities in real time and transmitting them wirelessly over long distances with minimal energy consumption. The adopted architecture revolves around two main entities: a transmitter node handling data acquisition and transmission, and a gateway receiver node responsible for receiving, processing, and forwarding data to a supervision dashboard. The embedded logic is managed by firmware developed under FreeRTOS, modeled through UML diagrams (classes, sequences, activities) and a rigorous state machine to ensure the reliability of the acquisition-transmission-reception-visualization cycle. On the supervision side, an MQTT broker is deployed to ensure lightweight data transport, while Node-RED is used to build an intuitive HMI interface accessible from a smartphone, offering real-time visualization of monitored industrial parameters. An experimental validation of the complete prototype is carried out to evaluate system performance in terms of range, latency, transmission reliability, and interface responsiveness. This work falls within the field of Industry 4.0, at the intersection of IIoT, SCADA, and LPWAN networks, and opens promising perspectives toward distributed, scalable, and economically accessible supervision architectures for demanding industrial environments .Keywords:Industrial Control – Industrial Monitoring – SCADA – Industrial IoT (IIoT) – ESP32 – LoRa Communication – MQTT Protocol – Modbus TCP/IP – Node-RED – PLC (Programmable Logic Controller) – Edge Computing – Industrial Sensors – ESP-NOW – HMI (Human-Machine Interface) – Remote Supervision.

ملخص

في مواجهة المتطلبات المتزايدة للبيئات الصناعية الحديثة من حيث المراقبة الموثوقة والمدى البعيد وانخفاض استهلاك الطاقة، تُظهر أنظمة الإشراف عن بُعد التقليدية حدودها، لا سيما في المواقع المعزولة أو القاسية حيث يظل نشر البنى التحتية للشبكات الكلاسيكية مكلفاً ومعقداً. يقترح مشروع التخرج هذا تصميم وتنفيذ بنية معمارية للإشراف الصناعي عن بُعد، تستند إلى تقنية الاتصال LoRa نقطة إلى نقطة (P2P) ومنصة معالجة تدفق البيانات Node-RED. يعتمد النظام المطوَّر على عقد استشعار ذكية مبنية حول المتحكم الدقيق ESP32 المقترن بوحدة LoRa، تتولى اكتساب القيم الفيزيائية الصناعية الحرجة في الوقت الفعلي ونقلها لاسلكياً عبر مسافات بعيدة بأقل استهلاك ممكن للطاقة. تتمحور البنية المعتمدة حول كيانين رئيسيين: عقدة مُرسِلة تتولى اكتساب البيانات ونقلها، وعقدة مستقبِلة تعمل كبوابة لاستقبال البيانات ومعالجتها وإرسالها إلى لوحة تحكم للإشراف. تُدار المنطق المدمج ببرنامج ثابت (Firmware) مطوَّر باستخدام FreeRTOS، مُصمَّم وفق مخططات UML (الفصول، التسلسلات، الأنشطة) وآلة حالة صارمة لضمان موثوقية دورة الاكتساب-النقل-الاستقبال-التصور. على صعيد الإشراف، يُنشأ وسيط MQTT لضمان النقل الخفيف للبيانات، بينما تُستخدم منصة Node-RED لبناء واجهة HMI بديهية يمكن الوصول إليها من الهاتف الذكي، مما يوفر تصوراً في الوقت الفعلي للمعاملات الصناعية المراقَبة. يُجرى تحقق تجريبي كامل للنموذج الأولي لتقييم أداء النظام من حيث المدى، وزمن الاستجابة، وموثوقية الإرسال، وسرعة تفاعل واجهة الإشراف. يندرج هذا العمل في إطار الصناعة 4.0، عند تقاطع إنترنت الأشياء الصناعي (IIoT)، وأنظمة SCADA، وشبكات LPWAN، ويفتح آفاقاً واعدة نحو بنيات إشراف موزَّعة وقابلة للتوسع ومتاحة اقتصادياً للبيئات الصناعية المتطلبة. الكلمات المفتاحية:LoRa P2P، ESP32، FreeRTOS، MQTT، Node-RED، إشراف عن بُعد، IIoT، SCADA، LPWAN،(HMI) الصناعة 4.0.