Aplicações da tecnologia LoRaWAN® na Lusomatrix

A tecnologia LoRaWAN^® (Long Range Wide Area Network) representa uma solução promissora para a crescente necessidade de automatização de tarefas.

Palavras-chave: LoRaWAN^®; Internet of Things; Comunicação de longa distância; Sensores; Agricultura de precisão; Cidades inteligentes; Logística; Baixo consumo energético

Introdução

A LoRaWAN^® é uma especificação de protocolo de rede construída sobre a modulação LoRa (Long Range), a tecnologia LoRa teve origem numa startup francesa chamada Cycleo, fundada em 2009, que desenvolveu uma modulação sem fios baseada em chirp spread spectrum (CSS), uma técnica robusta de comunicação de longa distância e baixo consumo, posteriormente adquirida pela Semtech, que adicionalmente incentivou a criação da LoRa Alliance – uma das alianças de tecnologia que mais cresceu desde sua fundação em 2015.

Fundamentos técnicos da tecnologia LoRaWAN^®

LoRa e LoRaWAN^® baseiam-se em Chirp Spread Spectrum (CSS), uma técnica de modulação que faz uso de sinais chirp, cuja frequência aumenta (up-chirp) ou diminui (down-chirp) com o tempo. Originalmente desenvolvido para aplicações militares e espaciais devido à sua resistência a interferências, o CSS foi posteriormente adotado em tecnologias comerciais, como o protocolo LoRa^®, que se baseia nesta modulação para comunicações de longo alcance e baixo consumo energético.

O CSS funciona através da dispersão dos dados num espectro alargado, codificando cada bit como uma variação de frequência contínua. Um dos principais benefícios desta abordagem é a elevada imunidade a ruído e a capacidade de operar em ambientes com baixos níveis de sinal (baixo SNR).

A LoRaWAN^®é a tecnologia de protocolo que define a arquitetura da rede, os mecanismos de segurança, o controlo e gestão dos dispositivos, bem como as classes operacionais (A, B e C), que determinam o comportamento dos dispositivos em relação à latência e ao consumo energético.

A tecnologia LoRaWAN^® dispõe, adicionalmente, da capacidade de efetuar geolocalização sem recurso a um dispositivo de GPS, através do método TDoA (Time Difference of Arrival). Este processo decorre da seguinte forma: o dispositivo LoRaWAN^® transmite uma mensagem que é recebida por múltiplos gateways. Estes registam com precisão o instante de chegada da referida mensagem, permitindo que, através da diferença temporal entre os registos dos diversos gateways, seja possível triangular a posição do dispositivo.

Esta modulação permite comunicações em distâncias superiores a 15 km em ambientes abertos, com taxas de transmissão que variam entre 0,3 Kbps e 50 Kbps. Estas caraterísticas se mostram ideais para diminuição de custos principalmente com infraestrutura e instalação de múltiplos equipamentos que realizam a ligação dos equipamentos e transmissão dos dados até à rede, provando assim que também poderá ser uma tecnologia amiga da inclusão digital em locais remotos.

Aplicações vantajosas da LoRaWAN^®

3.1. Agricultura de precisão

Sensores equipados com LoRaWAN^® permitem a monitorização contínua de variáveis como humidade relativa do solo e do ar, temperatura do solo e do ar, radiação solar e níveis de CO₂ e outros gases. Em regiões vitivinícolas, por exemplo, sensores com comunicação LoRaWAN^® possibilitam a ativação inteligente de sistemas de rega, ativação de ventilação e abertura de portas para iluminação de acordo com os parâmetros ajustados, reduzindo o desperdício de água enquanto garante máxima produção com os menores custos possíveis considerando os recursos disponíveis.

3.2. Cidades inteligentes

Através da sua capacidade de transpor obstáculos com maior facilidade em comparação às tecnologias difundidas, a LoRaWAN^® é utilizada em tarefas de Cidades Inteligentes como gestão de estacionamento, monitorização da qualidade do ar, alertas de fugas de água, iluminação inteligente, telemetria e também em algumas aplicações de recolha de dados, como em sistemas de segurança em áreas públicas ou nos sensores do volume de contentores de lixo.

3.3. Monitorização ambiental e prevenção de desastres naturais

A tecnologia permite a monitorização de precipitação e fumo em florestas. Na Amazónia, os sensores LoRaWAN^® têm sido utilizados para detetar condições propícias a incêndios através de Estações Meteorológicas completas instaladas em áreas remotas.

3.4. Logística e cadeias de abastecimento

O rastreio em tempo real é possível com etiquetas LoRaWAN^® que monitorizam localização, temperatura, humidade e aceleração. No Porto de Roterdão, a tecnologia é usada para rastrear contentores.

3.5. Monitorização industrial e de edifícios

Inclui aplicações como monitorização de vibrações, temperatura de equipamentos, controlo de acessos e níveis de tanques. Empresas do setor químico têm utilizado a tecnologia para prevenir falhas.

Comparação entre LoRaWAN^® e outras tecnologias LPWAN

LPWAN é a sigla para Low Power Wide Area Network (rede de área ampla de baixa potência) e é uma família de tecnologias e padrões de rede que se caracterizam por baixo consumo energético e longas distâncias de comunicação. A escolha da tecnologia de comunicação adequada é crucial para o sucesso de aplicações de IoT em larga escala. Entre as principais tecnologias LPWAN, destacam-se LoRaWAN^®, Sigfox e NB-IoT, cada uma com características específicas, vantagens e desvantagens sobre umas às outras.

As tecnologias mais comuns de comunicação, como wi-fi e redes móveis (3G, 4G e mesmo 5G), apresentam limitações significativas quando aplicadas a cenários de IoT que exigem conetividade em regiões remotas ou rurais. O wi-fi, embora difundido, possui um alcance limitado e elevado consumo energético, tornando-se inviável para dispositivos que dependem de baterias de longa duração.

As redes móveis, por sua vez, implicam custos operacionais mais elevados, dependência de cobertura de rede existente e maior complexidade nos dispositivos. Além disso, em ambientes inóspitos ou afastados dos centros urbanos, a infraestrutura para estas redes nem sempre está disponível, o que inviabiliza a comunicação constante.

É neste contexto que a tecnologia LoRaWAN^® – por não necessitar de prévias infraestruturas e permitir a comunicação em longas distâncias – surge como uma solução eficiente, acessível, amiga da inclusão digital e que possui melhor relação entre custo e benefício para estas aplicações.

4.1. Alcance e cobertura

A LoRaWAN^® oferece um alcance de até 20 km em áreas rurais, sendo ideal para aplicações que requerem cobertura extensa com infraestrutura mínima. Embora o Sigfox possa atingir até 40 km em condições ideais, sua capacidade de transmissão de dados é significativamente limitada. Por outro lado, o NB-IoT possui um alcance inferior, geralmente abaixo de 10 km, e depende da infraestrutura existente de redes móveis, o que pode ser uma limitação em áreas remotas.​

4.2. Consumo energético e vida útil da bateria

A LoRaWAN^® é projetada para baixo consumo de energia, permitindo que dispositivos operem por até 10 anos com uma única bateria, dependendo da aplicação. O Sigfox também apresenta baixo consumo energético, mas suas restrições de payload e frequência de transmissão podem limitar certas aplicações. O NB-IoT, embora ofereça maior capacidade de dados, tende a consumir mais energia, reduzindo a vida útil da bateria dos dispositivos.​

4.3. Capacidade de transmissão de dados

A LoRaWAN^® suporta payloads de até 243 bytes, proporcionando flexibilidade para uma variedade de aplicações. O Sigfox é limitado a 12 bytes por mensagem, o que restringe o seu uso a aplicações muito específicas. O NB-IoT permite transmissões até 1600 bytes, adequado para aplicações que requerem maior volume de dados, mas com o custo de maior consumo energético e dependência de infraestrutura celular.​

4.4. Custo de implementação

A LoRaWAN^® utiliza espetro não licenciado, reduzindo significativamente os custos de operação. Além disso, permite a implementação de redes privadas, oferecendo maior controle e segurança. O Sigfox, embora também utilize espectro não licenciado, requer o pagamento de taxas para acesso à sua rede proprietária. O NB-IoT opera em espectro licenciado, implicando em custos mais elevados e dependência de operadoras de telecomunicações.​

4.5. Flexibilidade e escalabilidade

A arquitetura aberta da LoRaWAN^® permite uma escalabilidade eficiente, suportando um grande número de dispositivos em uma única rede. A sua flexibilidade facilita a adaptação a diferentes casos de uso e ambientes. O Sigfox, com a sua abordagem mais rígida, oferece menos flexibilidade. O NB-IoT, apesar da sua capacidade de suportar muitos dispositivos, enfrenta desafios de escalabilidade devido à sua dependência da infraestrutura celular existente.

Tecnologia	Alcance	Consumo de Energia	Taxa de Transmissão	Custo Operacional	Aplicação
LoRa	Até 15 km	Muito baixo	0,3–27 Kbit/s	Baixo	Sensores IoT, monitorização
Sigfox	Até 50 km	Muito baixo	100 Bps	Baixo	Sensores de baixa taxa de dados
NB-IoT	Até 10 km	Baixo	Até 250 Kbit/s	Médio	IoT em redes móveis
LTE-M	Até 10 km	Médio	Até 1 Mbit/s	Alto	Dispositivos móveis e sensores avançados

Conclusão

A tecnologia LoRaWAN^® apresenta-se como uma solução robusta para aplicações de Internet of Things (IoT) que privilegiam o longo alcance, o baixo consumo energético e a redução de custos associados a estes sistemas. A sua implementação em sectores que, anteriormente, implicavam investimentos significativos, evidencia agora um potencial verdadeiramente transformador. Ao ultrapassar as limitações impostas por tecnologias convencionais, como o Wi-Fi e as redes móveis, a LoRaWAN^® afirma-se como um pilar fundamental para o futuro da conectividade inteligente nestes domínios.

Dentro das suas representadas da Lusomatrix, representa diversas marcas líderes no ecossistema LoRaWAN, incluindo Adeunis, Tektelic, Milesight e Watteco. Cada uma dessas empresas oferece soluções inovadoras para diferentes aplicações na Internet of Things (IoT), impulsionando a conetividade sem fio de baixo consumo energético.

• Adeunis: especialista em soluções de comunicação para uma monitorização remota, oferecendo sensores para gestão de edifícios, deteção de vazamentos e controlo de temperatura.

• Tektelic: reconhecida pela sua linha de gateways e sensores altamente eficientes, aplicáveis em cidades inteligentes, monitorização ambiental e gestão de recursos hídricos.

• Milesight: focada em dispositivos inteligentes para aplicações em segurança, automação predial e monitorização industrial, garantindo eficiência e controlo em tempo real.

• Watteco: proporciona sensores para telemetria e medição de energia, fundamentais para otimizar o consumo elétrico e facilitar a manutenção preditiva.

Com estas marcas, a Lusomatrix fortalece o seu compromisso de oferecer soluções inovadoras e fiáveis para diversas aplicações no universo da IoT e comunicação LoRaWAN.

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