1. O que é o LoRa?
A LPWAN (Low-Power Wide-Area Network, rede de área alargada de baixa potência) foi concebida para aplicações de IoT que requerem baixa largura de banda, baixo consumo de energia, longas distâncias e um grande número de ligações. A LoRa já dispõe de uma cadeia ecológica mais madura e de um ritmo de comercialização mais rápido, prevendo-se que mantenha uma taxa de crescimento exponencial nos próximos anos.
As tecnologias sem fios nas aplicações da IoT dividem-se, principalmente, em dois tipos. Um deles é a tecnologia sem fios de curto alcance, como o Bluetooth, o Wi-Fi e o ZigBee. O outro é a tecnologia que constitui a rede de área alargada, tais como 2G/3G/4G. As vantagens e desvantagens de cada tecnologia são muito evidentes. Antes do surgimento da tecnologia LPWAN, normalmente só era possível escolher entre longo alcance e baixo consumo de energia. Com o advento da tecnologia LPWAN, pode dizer-se que o dilema entre «ter tudo» foi resolvido. Além de permitir uma comunicação a maior distância e um consumo de energia ultrabaixo, também permite poupar nos custos adicionais com repetidores.
A LoRa é uma tecnologia muito representativa no domínio das comunicações LPWAN. Trata-se de uma solução de transmissão sem fios de ultra-longa distância baseada na tecnologia de espectro espalhado, adotada e promovida pela empresa norte-americana Semtech. Esta solução de transmissão altera as anteriores considerações de compromisso entre a distância de transmissão e o consumo de energia, proporcionando um sistema simples capaz de alcançar longas distâncias, longa autonomia da bateria e grande capacidade, expandindo assim a rede de sensores. Atualmente, a LoRa opera principalmente em bandas de frequência livres em todo o mundo, incluindo 433, 868 e 915 MHz, entre outras.
2. Quais são as vantagens e as características da LoRa?
1. Maior sensibilidade de receção e menor consumo de energia.
O orçamento de ligação de até 157 dB permite que a distância de comunicação atinja os 15 quilómetros (dependendo do ambiente). A sua corrente de receção é de apenas 10 mA e a sua corrente em modo de suspensão é de 200 nA, o que prolonga significativamente a vida útil da bateria.
2. O gateway/concentrador baseado nesta tecnologia suporta o processamento paralelo de vários canais e várias velocidades de transmissão de dados, e a capacidade do sistema é elevada.
O gateway é a ponte entre o nó e a rede IP (através de 2G/3G/4G ou Ethernet). Cada gateway pode processar 5 milhões de comunicações entre nós por dia (partindo do princípio de que são enviados 10 bytes de cada vez e que a ocupação da rede é de 10 %). Se o gateway for instalado no local de uma estação base de comunicações móveis existente com uma potência de transmissão de 20 dBm (100 mW), pode cobrir cerca de 2 quilómetros num ambiente urbano densamente construído e, em subúrbios de menor densidade, a cobertura pode atingir os 10 quilómetros.
3. Os sistemas baseados em terminais e concentradores/gateways podem suportar a medição de distâncias e o posicionamento.
A medição de distância do LoRa baseia-se no tempo de transmissão do sinal pelo ar, em vez do tradicional RSSI (Received Signal Strength Indication), enquanto o posicionamento se baseia na medição da diferença de tempo de transmissão pelo ar entre vários pontos (gateways) e um ponto (nó). A sua precisão de posicionamento pode atingir 5 m (assumindo um alcance de 10 km).
3. Qual é a arquitetura de rede do LoRa?
A rede LoRa é composta principalmente por terminais (que podem ter módulos LoRa integrados), gateways (ou estações base), servidores de rede e servidores de aplicações. A sua arquitetura de rede é uma topologia em estrela típica. Nesta arquitetura de rede, o gateway LoRa funciona como um retransmissor transparente que liga o dispositivo terminal ao servidor central de back-end. Os dispositivos finais comunicam com um ou mais gateways através de um único salto. Existe comunicação bidirecional entre todos os nós e o gateway.
Os nós terminais da LoRa podem ser vários dispositivos, tais como contadores de água e gás, detetores de fumo, localizadores de animais de estimação, etc. Estes nós são primeiro ligados ao gateway LoRa através da comunicação sem fios LoRa e, em seguida, ligados ao servidor de rede através da rede 3G ou da rede Ethernet. O gateway e o servidor de rede comunicam através do protocolo TCP/IP.
Equipamento terminal LoRa
Os nós terminais da LoRa podem ser vários dispositivos, tais como contadores de água e gás, detetores de fumo, localizadores de animais de estimação, etc. Estes nós são primeiro ligados ao gateway LoRa através da comunicação sem fios LoRa e, em seguida, ligados ao servidor de rede através da rede 3G ou da rede Ethernet. O gateway e o servidor de rede comunicam através do protocolo TCP/IP.
A rede LoRa divide os dispositivos terminais em três categorias: A/B/C:
Classe A: Equipamento terminal de comunicação bidirecional. Este tipo de dispositivo terminal permite a comunicação bidirecional, sendo que cada transmissão a montante de um dispositivo terminal é acompanhada por duas janelas de receção a jusante. O intervalo de tempo de transmissão do dispositivo terminal baseia-se nas suas próprias necessidades de comunicação, e o seu ajuste fino baseia-se no protocolo ALOHA.
Os equipamentos da Classe A apresentam o menor consumo de energia, e a comunicação de descida da estação base só pode ocorrer após a comunicação de subida do terminal.
Classe B: Equipamento terminal de comunicação bidirecional com intervalos de tempo de receção predefinidos. Este tipo de equipamento terminal abrirá janelas de receção redundantes durante o período de tempo predefinido. Para tal, o equipamento terminal receberá um sinal de referência (Beacon) do gateway de forma síncrona e sincronizará a hora da estação base e do módulo através desse sinal.
Os terminais de classe B podem informar à estação base que o terminal está a receber dados
Classe C: Equipamento terminal de comunicação bidirecional com janela de receção máxima. Os dispositivos terminais deste tipo mantêm a janela de receção aberta e só a fecham durante a transmissão.
Os dispositivos da classe C têm o intervalo de receção mais longo e consomem mais energia
4. Cenários de aplicação da LoRa
As redes baseadas em LoRaWAN podem proporcionar uma comunicação bidirecional segura a longas distâncias e cobrir áreas urbanas com uma infraestrutura de rede mínima. A tecnologia LoRa será amplamente utilizada em vários cenários de aplicação, tais como a agricultura inteligente, os edifícios inteligentes e a logística inteligente.
1. Agricultura inteligente
No setor agrícola, há uma necessidade urgente de sensores de baixo consumo energético e baixo custo. A utilização de sensores de temperatura e humidade, dióxido de carbono e salinidade reveste-se de grande importância para a agricultura, contribuindo para aumentar a produção e reduzir o consumo de água. No entanto, estes indicadores não sofrem alterações significativas num curto espaço de tempo, o volume de dados é reduzido e os requisitos de desempenho em tempo real não são elevados; por isso, a tecnologia LoRa é, sem dúvida, a melhor escolha.
2. Edifícios inteligentes
Na renovação de edifícios, são instalados sensores para monitorizar a temperatura e a humidade, a segurança, a presença de gases nocivos e o caudal de água, sendo que as informações de monitorização são enviadas regularmente, o que facilita a supervisão por parte dos gestores e torna a experiência mais prática para os utilizadores. De um modo geral, a comunicação destes sensores não precisa de ser particularmente frequente nem de garantir uma qualidade de serviço especialmente elevada. Ao mesmo tempo, um gateway doméstico portátil pode satisfazer as necessidades, pelo que a LoRa é a escolha mais adequada neste cenário.
3. Fabrico automatizado
No ambiente de produção industrial automatizada, é aplicado um grande número de tecnologias inteligentes e são trocados diversos dados de informação na rede. Por conseguinte, as características da rede selecionada estão diretamente relacionadas com a qualidade da execução do plano de produção. Alguns cenários exigem sensores de baixo custo, com baixo consumo de energia e baterias de longa duração, para localizar equipamentos e monitorizar o seu estado. Neste caso, a LoRa é uma escolha razoável.
4. Logística inteligente
O setor da logística abrange uma área geográfica muito vasta, pelo que, na escolha de uma rede, as primeiras considerações a ter em conta são o baixo investimento e a longa vida útil. Para poderem rastrear paletes e determinar a localização e o estado das mercadorias, as empresas de transporte precisam que todas as instalações envolvidas em todo o processo logístico estejam abrangidas pela rede.
Isto não só exige que os nós da rede sejam suficientemente económicos para facilitar a implantação em grande escala, como também que possuam mobilidade para poderem ser instalados em veículos de transporte como um gateway móvel. Desta forma, a tecnologia NB-IoT, que depende da rede de estações base 4G, não consegue, obviamente, satisfazer este requisito. O baixo custo, a longa autonomia da bateria, a elevada mobilidade e a estabilidade de comunicação durante movimentos a alta velocidade da LoRa tornam-na única no domínio da logística inteligente. Liderar o caminho.
Na nova onda de desenvolvimento da Internet das Coisas, no domínio das redes de área alargada de baixa potência, no contexto da implantação e aplicação em grande escala nos mercados desenvolvidos, os intervenientes nacionais estão também a recorrer à sabedoria coletiva para promover a implantação e a expansão em grande escala das redes LoRa no país. No que diz respeito à aplicação, acredito que, com o aumento das aplicações industriais, esta rede LoRa a nível de operadores nacionais, formada com base no conceito de economia partilhada, se tornará também a área central do panorama global da LoRa.
Atualmente, as duas principais redes de IoT a nível mundial, a NB-IoT e a LoRa, estão a desenvolver-se rapidamente na China. De acordo com os departamentos competentes, foram lançados mais de mil produtos de aplicações de IoT em várias províncias da China. Segundo informações, 70% das empresas procuram ativamente produtos de IoT maduros, fiáveis e de rápida implementação. A maioria das empresas adquire soluções de IoT LoRa junto da IOTRouter Technology Co., Ltd. Esta empresa desenvolve produtos de IoT LoRa por conta de terceiros, com o objetivo de expandir rapidamente os negócios de IoT e tornar-se líder neste setor em cidades de todo o país. A situação de “Olhar para a China para o desenvolvimento da Internet das Coisas a nível mundial” está gradualmente a tomar forma.
Resumir
A Rede de Área Alargada de Baixa Potência (LPWAN) é uma componente indispensável da Internet das Coisas. Possui características flexíveis e escaláveis, podendo assumir dimensões grandes ou pequenas. Esta tecnologia é essencial na fase de crescimento e exploração do setor da Internet das Coisas. Considera-se que é a tecnologia mais adequada para a Internet das Coisas. A LoRa é segura e fiável, com funcionalidades como a autenticação bidirecional, a encriptação de ponta a ponta e a proteção da integridade. É abrangente e voltada para o futuro em termos de conceção de segurança. No entanto, a segurança da IoT não pode ser ignorada e requer esforços conjuntos do setor para continuar a promovê-la.
