As tecnologias de comunicação usadas pelos dispositivos IoT para comunicar dados entre si são chamadas de redes IoT. Alguns exemplos de redes IoT são redes celulares como LTE-M e NB-IoT, WiFi, Bluetooth Low Energy, Sigfox, LoraWAN, Zigbee, RFID e Ethernet. Os dispositivos IoT geralmente são conectados por meio de tecnologias de comunicação sem fio. Em alguns casos raros, você poderá encontrar dispositivos IoT conectados via Ethernet. Embora protocolos IoT como MQTT, CoAP, AMQP, etc. operem na camada de aplicação da Internet, essas tecnologias de comunicação se aplicam à camada de rede da arquitetura da Internet. A IoT é a espinha dorsal da quarta revolução industrial. A Indústria 4.0 nada mais é do que a Internet Industrial das Coisas (IIoT).
Ao projetar uma aplicação IoT, a escolha de uma rede é a primeira coisa que precisa ser decidida. A seleção de uma rede IoT normalmente depende do caso de uso. As redes IoT podem ser classificadas em quatro grandes classes, conforme segue.
- Redes celulares como LTE-M, NB-IoT, etc.
- LAN/PAN como Bluetooth, WiFi, etc.
- LPWAN como LoRaWAN, Sigfox, etc.
- Protocolos de malha como RFID, ZigBee, Z-wave, etc.
A classificação das redes IoT é útil para selecioná-las para uma aplicação específica. A seleção de uma rede IoT específica pode depender da área de cobertura necessária, custo, ambiente do dispositivo, densidade dos dispositivos IoT, consumo de energia, natureza da comunicação máquina a máquina, largura de banda de rede necessária, segurança, etc. discutirá as amplas categorias de redes IoT juntamente com algumas redes populares.
Redes celulares (3G, 4G, 5G, 5G de última geração)Redes celulares como 3G, 4G e 5G já prevalecem no mercado móvel de consumo. As redes celulares têm a maior cobertura em comparação com qualquer outra tecnologia sem fio. Porém, essas redes apresentam alto custo operacional e alto consumo de energia. Apesar da grande cobertura e da ampla largura de banda, as redes celulares nem sempre são adequadas para dispositivos IoT apenas devido ao seu alto custo e grande consumo de energia. Para dispositivos IoT alimentados por bateria, as redes celulares recebem um claro não. Ainda assim, as redes celulares são adequadas para alguns casos de uso específicos aos quais nenhuma outra tecnologia de comunicação pode se adequar.
Por exemplo, carros autónomos, infraestruturas de saúde conectadas, vigilância por vídeo em tempo real, gestão de frotas no transporte e automação industrial sensível ao tempo não são possíveis sem redes celulares. Estas aplicações não exigem apenas comunicação frequente de dados, mas o volume de dados envolvidos também é muito alto. Mais uma vez, os dispositivos IoT que se comunicam nessas aplicações requerem implantação muito distante. As redes celulares são onipresentes e oferecem ampla largura de banda que as torna viáveis para tais casos de uso, apesar do custo e da desvantagem energética. A maioria desses aplicativos requer streaming de dados com uma alta carga útil por dia. Como as redes celulares são capazes de fornecer uma taxa de dados superior a 380 kbps com uma largura de banda de 5~20 MHz (3G/4G), nem a alta carga útil nem o streaming são um problema. Um verdadeiro impulso para a maioria dessas aplicações será o celular 5G da próxima geração.
LPWAN
As redes celulares são inadequadas para aplicações alimentadas por bateria, bem como para comunicação máquina a máquina. Uma solução viável para conectar dispositivos IoT implantados remotamente é a Low Power Wireless Area Network (LPWAN). Existem LPWANs licenciados e não licenciados. O licenciado inclui NB-IoT e LTE-M. Os não licenciados incluem Sigfox e LoRaWAN. Embora as LPWANs permitam que dispositivos IoT alimentados por bateria se comuniquem por longas distâncias, apenas uma pequena quantidade de dados pode ser comunicada com essas tecnologias devido à menor largura de banda. LPWAN tem diversas vantagens sobre redes celulares. Tipo, essas redes são baratas e podem ser integradas em pequenos circuitos. Ao contrário das redes celulares, estas redes podem funcionar com bateria durante vários anos.
Vamos discutir alguns dos LPWANs comuns.
NB-IoT
NB-IoT é um LPWAN licenciado que permite comunicar carga útil ilimitada por dia a uma largura de banda de 180 MHz. Este protocolo IoT de banda estreita é de baixo custo e com consumo médio de energia. Os dispositivos NB-IoT não necessitam de nenhum gateway e podem comunicar dados diretamente ao servidor. Com uma taxa de dados de 200kbps e carga útil ilimitada por dia, o NB-IoT permite um grande número de conexões. Embora o protocolo não ofereça maior suporte à mobilidade, ele é conhecido pelo bom desempenho tanto em ambientes externos quanto internos.
LTE-M
LTE-M é um LPWAN licenciado baseado no uso de bases LTE para comunicação entre dispositivos IoT. Também conhecido como Cat-M1, o LTE-M fornece uma largura de banda maior, permitindo a operação de uma densidade de conexão massiva e até mesmo de aplicações como VoIP. Comparados ao NB-IoT, os dispositivos LTE-M apresentam maior consumo de energia e requerem um gateway para se comunicarem com o servidor. Os dispositivos também são mais caros em comparação com dispositivos NB-IoT.
LoRaWAN
Mantido pela LoRa-Alliance, o LoRaWAN oferece uma área de cobertura de 15 km. Este LPWAN não licenciado possui largura de banda de 125 ~ 500 KHz e taxa de dados de até 27 kbps. Opera em uma banda de frequência ISM livre. Devido ao menor consumo de energia, LoRa é mais adequado para dispositivos IoT industriais alimentados por bateria. Os dispositivos LoRa podem funcionar com bateria por até 10 anos. Por não serem licenciadas, as redes LoRa têm uma limitação. Eles só podem usar 1% de sua largura de banda. Normalmente, LoRa permite que até 140 mensagens de 12 bytes sejam transmitidas em uplink por dia. Há mais flexibilidade em relação aos downlinks. Os dados são sempre transmitidos em pacotes de 12 bytes. LoRa é mais adequado para redes de sensores alimentadas por bateria, onde o controlador passa a maior parte do tempo no modo de hibernação e transmite dados do sensor de forma intermitente. Os dados precisam ser comunicados a um gateway antes de serem transmitidos ao servidor.
Sigfox
Mantido pela Sigfox, um provedor global de serviços de comunicação, o Sigfox é um LPWAN não licenciado. Com largura de banda de 200 kHz, é uma tecnologia Ultra Narrow Band (UNB). É baseado na mesma banda de frequência ISM do LoRaWAN. Permite uma cobertura de 30~50 km. Sigfox permite que até 140 mensagens de 12 bytes sejam transmitidas em uplink por dia. O downlink é limitado a 4 mensagens por dia. Apesar de uma taxa de dados mais baixa e largura de banda estreita, a Sigfox tem a vantagem do alcance global.
LAN/PAN
A área de cobertura das redes locais (LAN) e das redes pessoais (PAN) é limitada ao ambiente local, como dentro de um edifício ou pequenas instalações. Bluetooth/BLE e WiFi são as duas tecnologias de LAN sem fio mais proeminentes. Apesar da pequena cobertura, essas tecnologias oferecem alta largura de banda e ótima taxa de transferência de dados.
Vamos discutir Bluetooth e WLAN.
Bluetooth/Bluetooth de baixa energia
Bluetooth e Bluetooth Low Energy são tecnologias de comunicação de curto alcance. O BLE foi projetado para aplicações IoT de consumo. Ele pode ser usado para comunicação de dados ponto a ponto e ponto a multiponto. É usado principalmente por smartwatches e dispositivos domésticos inteligentes para comunicação com telefones celulares ou hubs inteligentes. A nova especificação Bluetooth Mesh aumentou a escalabilidade das redes BLE. Com baixa energia e baixo consumo de energia, as redes de beacon Bluetooth podem ser usadas em lojas de varejo para serviços ao consumidor, como navegação na loja, personalização e entrega de conteúdo.
Wi-fi
As redes WiFi oferecem alta largura de banda e excelentes taxas de transferência de dados, mas ao custo de alto consumo de energia e cobertura limitada. Devido à cobertura limitada, ao alto consumo de energia e à falta de escalabilidade, as redes WiFi nunca são usadas em aplicações industriais de IoT. Como as redes WiFi estão disponíveis principalmente como serviços de banda larga para residências, elas são úteis para residências inteligentes e aplicações de segurança residencial. A mais nova geração de WiFi – WiFi 6.0 é aplicável a aplicações de varejo e infraestruturas WiFi abertas que atendem a serviços móveis digitais.
Protocolos de malha
Os protocolos de malha são mais adequados para redes distribuídas de baixo alcance, como redes de sensores e IoT industrial de baixo alcance. Os dados são comunicados a um gateway ou hub central. Estas tecnologias de comunicação são soluções robustas para aplicações em edifícios.
Vamos discutir alguns dos protocolos/tecnologias mesh.
Zigbee
Zigbee é um protocolo mesh não licenciado popular, amplamente utilizado em aplicações IoT distribuídas. Este é um protocolo de curto alcance que cobre uma distância inferior a 100 metros. Em aplicações industriais, é diretamente comparado com LPWANs. Comparado ao LPWAN, o Zigbee oferece uma taxa de transferência de dados mais alta e maior eficiência energética. Se o curto alcance não for um problema, os dispositivos Zigbee podem funcionar durante anos sem substituição da bateria. Como os dispositivos Zigbee operam em uma topologia mesh, a rede permanece operacional roteando a comunicação através de outros dispositivos, mesmo se um dispositivo dentro da rede for desligado ou apresentar mau funcionamento. Junto com o WiFi, o Zigbee também é amplamente utilizado para automação residencial.
Onda Z
Z-wave também é um protocolo mesh como o Zigbee. Ele tem maior cobertura e foi projetado para atender aplicações como residências inteligentes e vigilância residencial. A onda Z usa ondas de rádio de baixa frequência que não sofrem interferência de sinais WiFi. Comparado ao Zigbee, o Z-wave é uma tecnologia proprietária e requer uma licença para uso. Um problema com os dispositivos Z-wave é a interoperabilidade. A onda Z opera em diferentes bandas de frequência na Europa e nos EUA.
RFID
RFID é usado principalmente para rastreamento de ativos. As etiquetas RFID comunicam dados mínimos num curto alcance, geralmente para identificação. Para leitura de etiquetas RFID, não é necessária linha de visão, como no caso dos códigos de barras. Essa tecnologia é amplamente utilizada no setor de varejo e logística. Algumas aplicações populares de RFID incluem gerenciamento da cadeia de suprimentos, rastreamento de ativos, passaporte eletrônico, checkouts automatizados, implantes humanos, monitoramento médico, controle de acesso de segurança e sistemas de pagamento. Na Índia, o FASTag, uma tecnologia RFID passiva, é usado para automatizar pagamentos de pedágios.
Conclusão
Existem várias redes IoT diferentes. Essas tecnologias de comunicação podem ser amplamente classificadas em redes celulares, LPWAN, LAN/PAN e tecnologias Mesh. A classificação é baseada principalmente na cobertura e largura de banda. A maioria das redes IoT são tecnologias de comunicação sem fio. Cada classe de rede IoT tem seus prós e contras. Depois de selecionar uma categoria adequada, os desenvolvedores de IoT podem fazer uma seleção de redes específicas com base no custo, ambiente do dispositivo, segurança, densidade do dispositivo, largura de banda de dados, taxa de transferência de dados, frequência de dados, qualidade de serviço, arquitetura de rede, e gestão.
