A tecnologia LoRa (longo alcance) garante comunicação confiável de longo alcance entre um nó e um gateway, tornando-a adequada para uma variedade de aplicações de Internet das Coisas (IoT). O propósito de construir um nó LoRa é reduzir custos, ao mesmo tempo em que garante uso de longo prazo e baixo consumo de energia para dispositivos. O baixo consumo de energia do LoRa é afetado por vários recursos, abordados abaixo.
Figura 1. Arquitetura LoRa básica.
Características
Programação inteligente. O código escrito deve ser “inteligente”, garantindo sono profundo quando não estiver em uso. Por exemplo, a parte de rede dos sensores de detecção de incêndios florestais permanece em modo de espera se nenhum incêndio for detectado no nível do sensor. Isso é para otimizar a energia quando necessário. Esta abordagem garante que a funcionalidade de rede com uso intensivo de energia seja ativada somente quando necessário, conservando energia quando os sensores não detectam incêndio.
Seleção de bateria. A bateria é crítica, especialmente se o nó for implantado por anos. Se for, a corrente de autodescarga da bateria deve permanecer muito baixa. Uma bateria ideal terá uma baixa taxa de autodescarga, particularmente para dispositivos que consomem pouca energia. Caso contrário, a bateria perderá sua carga ao longo do tempo, independentemente de sua capacidade calculada, e parará de funcionar. Baterias como LiSoCl2 são frequentemente favoráveis.
Figura 2. A bateria LiSoCL2 3,6V.
Seleções de componentes. Embora LoRa seja de baixa potência, isso não significa que todos os componentes também sejam de baixa potência. Por exemplo, um sensor de medição de distância ultrassônico requer muita potência, então isso deve ser parte da consideração do componente.
Ao escolher sensores, é crucial priorizar a longa duração da bateria selecionando componentes que operem com baixa potência, mesmo quando em uso. A função de um sensor é notificar ou acionar um dispositivo transmitindo dados pela rede. Portanto, todos os componentes usados com um sensor devem ter classificações de potência muito baixas. Isso garante que o sensor não consuma energia excessiva, permitindo maior duração da bateria e operação eficiente do dispositivo.
Neste artigo, exploraremos os fundamentos dos nós LoRa, bem como sua programação e seleções de hardware ideais.
Figura 3. Prevenção de incêndio em edifícios inteligentes baseada em LoRa.
Classes de nós
No LoRaWAN – o protocolo Low Power Wide Area Network (LPWAN) que funciona com modulação baseada em LoRa – existem três classes de nós com capacidades diferentes em termos de capacidade de receber e transmitir dados:
- Classe A
- Classe B
- Classe C
Nós de classe A
Classe A são o tipo mais simples e comum de nó LoRaWAN. Eles foram projetados para aplicações que exigem comunicação de uplink pouco frequente, como envio de dados de sensores, rastreamento de ativos ou monitoramento de condições ambientais. Os nós Classe A são caracterizados por seu baixo consumo de energia e modo de comunicação assimétrico, onde podem receber dados a qualquer momento, mas só podem transmitir dados imediatamente após recebê-los ou em horários específicos programados.
Figura 4. Um diagrama de blocos da transmissão entre um nó Classe A e o gateway no modo de baixo consumo de energia.
O protocolo de comunicação do nó Classe A é baseado no princípio “ouvir antes de falar”, que garante que a transmissão não interfira em nenhuma outra transmissão de rede em andamento. Uma vez que um nó Classe A transmite dados, ele entra em um modo de hibernação de baixo consumo até o próximo slot de uplink.
Além disso, nós de Classe A:
- São o tipo de nó LoRaWAN mais simples e com maior eficiência energética.
- Ajude a conservar a vida útil da bateria, permitindo que o nó opere por longos períodos sem exigir manutenção ou substituição frequente.
- Têm capacidades limitadas de downlink e só podem receber dados em resposta às suas transmissões de uplink.
- Só é possível receber uma quantidade limitada de dados de downlink de um único pacote de dados — transmitidos pelo gateway imediatamente após a transmissão de uplink.
- São projetados para aplicações que exigem comunicação de uplink pouco frequente e têm recursos de downlink limitados.
- São adequados para aplicações onde a vida útil da bateria é crítica e as transmissões de dados são pouco frequentes, tornando-os ideais para uso em ambientes onde a manutenção ou substituição frequente não é viável.
Exemplos de classe A
Os nós de Classe A são ideais para aplicações onde a vida útil da bateria é crítica e as transmissões de dados são pouco frequentes. Na agricultura inteligente, os nós de Classe A podem ser usados para monitorar os níveis de umidade do solo e enviar dados para um servidor central periodicamente. Em aplicações de rastreamento de ativos, os nós de Classe A podem ser anexados a ativos de alto valor e transmitir dados de localização periodicamente, permitindo que a localização de um ativo seja monitorada ao longo do tempo.
Nós de classe B
Os nós de Classe B são outro tipo de nó LoRaWAN que oferece mais recursos do que os nós de Classe A. Classe B são projetadas para aplicações que exigem comunicação bidirecional com latência garantida. Esses nós possuem janelas de recebimento periódico sincronizadas com o beacon da rede, permitindo transmissões programadas de downlink do gateway para o nó. Isso significa que os nós Classe B podem receber dados da rede mesmo quando não estão transmitindo ativamente.
Os nós Classe B possuem janelas de recepção adicionais que permitem comunicação downlink com latência garantida, tornando-os ideais para aplicações que exigem comunicação bidirecional.
Figura 5. Um diagrama de blocos da transmissão entre um nó Classe B em LoRa e o gateway.
Por exemplo, em aplicações de casa inteligente, nós de Classe B podem controlar eletrodomésticos remotamente, onde um usuário envia um comando para o dispositivo IoT através da rede, e o dispositivo responde em reconhecimento. Esses nós também podem ser usados em sistemas de automação de edifícios para controlar e monitorar sistemas HVAC, iluminação e sistemas de segurança.
Além disso, nós de Classe B:
- Possuem maior consumo de energia do que os nós Classe A, exigindo comunicação de rádio mais frequente para manter suas janelas de recepção sincronizadas.
- Têm menor consumo de energia do que os nós de Classe C.
- Tenha janelas de recebimento periódicas sincronizadas com o beacon da rede, permitindo latência garantida na comunicação de downlink.
Figura 6. Um medidor de água AMR sem fio LoRa.
Exemplos
Os nós Classe B são ideais para aplicações que exigem comunicação bidirecional, como casas inteligentes e sistemas de automação predial. Exemplos incluem:
- Medição inteligente: Leitura remota de medidores de serviços públicos, como eletricidade, gás e água.
- Monitoramento industrial: Monitoramento de equipamentos e máquinas em ambientes industriais para manutenção preventiva.
- Automação predial: Controle e monitoramento de iluminação, HVAC e sistemas de segurança predial.
Nós de classe C
Classe Cs são o tipo mais avançado de nó LoRaWAN, projetado para aplicações que exigem comunicação contínua e em tempo real. Eles têm o maior consumo de energia de todos os nós LoRaWAN e fornecem o mais alto nível de funcionalidade. Os nós de classe C são caracterizados por sua janela de recebimento contínuo, portanto, estão sempre “escutando” os dados que chegam da rede. Como resultado, eles têm a latência mais baixa em comparação com os nós Classe A e Classe B.
Figura 7. Um diagrama de blocos da transmissão entre um nó Classe C em LoRa e o gateway.
Os nós Classe C são ideais para aplicações de monitoramento e controle em tempo real, como sistemas de segurança, gerenciamento de tráfego e automação industrial. As Classe C fornecem atualizações de status em tempo real nessas aplicações, permitindo rápida tomada de decisão e resposta a mudanças nas condições.
Por exemplo, em sistemas de gerenciamento de tráfego, os nós de Classe C podem monitorar o fluxo de tráfego e dispositivos de controle de sinalização para ajustes em tempo real com base nos dados recebidos dos nós.
Além disso, nós de Classe C:
- Têm um consumo de energia maior do que os nós de Classe A e Classe B, pois estão sempre ouvindo os dados recebidos da rede.
- Podem ser alimentados por uma fonte de alimentação elétrica, o que os torna adequados para aplicações em que a duração da bateria não é crítica.
- São projetados para aplicações que exigem comunicação contínua e em tempo real.
- Possuem a menor latência de todos os nós LoRaWAN e são ideais para sistemas de segurança, gerenciamento de tráfego e aplicações de automação industrial.
Figura 8. Um botão de pânico Monskart baseado em LoRa.
Exemplos
Os nós de classe C têm maior consumo de energia, o que os torna confiáveis e sempre “ligados”. Isso significa que eles podem ser usados para serviços críticos, como:
- Serviços de emergência: Sistemas de comunicação e rastreamento em tempo real para equipes de emergência e pessoal.
-
Sistemas de segurança: Sistemas de detecção de intrusão e vigilância para residências, escritórios e áreas públicas.
Rastreamento de vida selvagem: Monitoramento do comportamento e dos movimentos da vida selvagem em esforços de conservação.
Monitoramento de inundações: Detecção precoce e monitoramento dos níveis de água em rios, lagos e áreas propensas a inundações.
Figura 9. Um sistema de segurança SEMTECH com LoRa.
O nó personalizado
Embora as classes sejam definidas no LoRa, isso não significa que você está restrito a usar apenas uma classe por vez — com o hardware certo. É possível escrever código para que um nó funcione em modo C por algum tempo e depois mude para Classe A ou B em outro ponto, dependendo da aplicação.
Exemplo: Rastreamento de animais de estimação
Imagine desenvolver um rastreador de animais de estimação para seu amado companheiro. Normalmente, você passeia com seu animal de estimação entre 4 e 5 da tarde. Para otimizar a funcionalidade do dispositivo, você pode programá-lo com as seguintes características:
Figura 10. Um dispositivo de rastreamento de animais de estimação com nó personalizado.
Durante os períodos sem caminhadas (fora das 16h às 17h):
-
- Configure o rastreador para operar em LoRa Classe A.
- A transmissão de dados ocorre a cada 10 minutos sem necessidade de confirmação ACK.
Essa abordagem conserva energia durante intervalos regulares.
Durante o tempo de caminhada:
-
- Mude o rastreador para LoRa Classe C.
- Como o tempo é essencial e seu animal de estimação pode fugir, o rastreamento em tempo real é essencial.
- Transmita dados a uma taxa rápida de 500 milissegundos para garantir rastreamento preciso e imediato.
Ao adotar essa abordagem, a eficiência energética do rastreador de animais de estimação é otimizada fora do horário de caminhada, mas responde entre 16h e 17h ao caminhar com seu animal de estimação. Essencialmente, o dispositivo opera em modo de economia de energia na maior parte do tempo, mas transita para um modo de rastreamento de alta frequência durante o período crítico de caminhada.
Programação para baixo consumo de energia
Programar no modo de baixo consumo significa otimizar o uso de periféricos e minimizar o processamento desnecessário. Por exemplo, o uso de interrupções em vez de polling contínuo pode reduzir o consumo de energia. No entanto, é importante considerar a fonte de alimentação e garantir que ela esteja totalmente otimizada para o modo de baixo consumo específico que está sendo usado. Isso pode envolver selecionar uma fonte de alimentação com uma baixa corrente quiescente ou usar um regulador de tensão com uma baixa tensão de queda.
A serialização de dados é outra consideração essencial. O LoRaWAN usa um formato específico para transmissão de dados, então é importante entender como serializar dados nesse formato para transmissão.
Em artigos futuros, aprenderemos como codificar nós LoRa e fazer um aplicativo funcional.
