Padronização da Internet das Coisas – O que ainda pode ser feito (IOT009)
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Padronização da Internet das Coisas – O que ainda pode ser feito (IOT009)

A Internet das Coisas (IoT) está chegando com toda a força. Sua finalidade, de conectar as coisas (objetos, pessoas, vestíveis, eletroeletrônicos) entre si usando a internet ainda não está muito evidente em nossos dias, já que as aplicações de consumo ainda são poucas, sendo muito mais intensas ainda em aplicações governamentais que são difíceis de perceber. Neste artigo, baseado em alguns documentos que acessamos pela internet, trazemos um panorama do que pode ser feito neste sentido, principalmente de empresas que estão trabalhando simultaneamente em criar soluções sem fio para conexão de produtos e sensores à internet.

Na verdade, o termo IoT ainda é muito controvertido, pois existem coisas que possuem recursos de comunicação sem fio, mas não obrigatoriamente através da internet, como eletroeletrônicos, vestíveis e muito mais que usam conexões Bluetooth e outras.

O termo IoT, portanto, deveria referir-se apenas aos dispositivos que se comunicam através da internet, mas não é o que ocorre. Na verdade, acreditamos que esse termo, em breve, talvez tenha um desmembramento.

Assim, levando em conta que o dispositivo, não obrigatoriamente, tem acesso à internet, mas a um hospedeiro que o conecta à internet ou outro dispositivo que tenha acesso a internet, podemos discutir melhor as tecnologias possíveis.

Na prática, existem diversas tecnologias que proporcionam conectividade entre dispositivos que se classificam no grupo da IoT em distâncias que sejam maiores do que as oferecidas por conectividade Zigbee, Wi-Fi e Bluetooth. São as que fazem a conectividade via redes de celulares e redes de área ampla de baixa potência (Low-Power Wide Area Newtworks ou LPWANs).

O objetivo dos desenvolvedores de LPWANs e implantar redes em áreas urbanas na maior quantidade possível na forma de três soluções antes que as soluções wireless implantem as delas:

EC-GSM (Extended Coverage) – Cobertura estendida – é uma tecnologia que permite às redes GSM de celulares sejam usadas para aplicações IoT através da adição de software apropriado.

Variantes da LTE (Long-Term Evolution) denominadas em alguns artigos técnicos LTE-M, já que se trata de um termo geral que cobre uma variedade de especificações LTE desinadas ao uso em conectividade IoT.

5 G – a quinta geração de conectividade wireless que deve chegar depois de 2020.

A competição entre essas tecnologias é grande. Evidentemente, a conectividade sem fio tem uma grande vantagem sobre outras tecnologias. Mas existem muitas outras soluções em estudo que podem ser interessantes em algumas aplicações.

Para afeito de análise podemos dizer que existem três tipos de conectividade IoT, classificadas de acordo com o alcance: curto alcance (short-range), médio (mid-range) alcance e longo alcance (long-range). Esses alcances cobrem uma faixa que vai de poucos metros a vários quilômetros.

As tecnologias de curto-alcance usadas atualmente são as baseadas em Bluetooth, Zigbee e Wi-Fi. Seus alcances são medidos em metros, o que resulta em uma pequena área de cobertura.

As tecnologias de médio alcance utilizam portadoras em fio e LPWANs que podem ter alcances razoáveis com boa segurança e recursos de criptografia. Outros recursos podem ser adicionados de acordo com a aplicação. No entanto, o uso destas soluções ainda tem um preço relativamente alto.

Longo Alcance. Nesta categoria podemos incluir até o acesso a satélites, o que significaria a solução com maior alcance de todos, mas o custo é ainda extremamente alto. Quem sabe, com o uso de uma rede de satélites espacial, a própria cobertura do sistema solar poderia ser conseguida, mas certamente isso não é para agora, mas sim para as próximas décadas.

Discutir as a vantagens das diversas soluções de conectividade que se enquadram num dos três grupos citados não é uma tarefa simples, pois além do alcance devem ser levadas em conta outras propriedades que podem ser até mais importantes em aplicações específicas. Vamos analisar algumas delas, baseados em vasta documentação que hoje existe disponível na internet.

 

As variantes da LPWAN:

Existem diversos tipos de redes LPWANs que são diferenciadas pelo tipo de modulação que usam. Assim, existem as que utilizam bandas ultras estreita, banda estreita e banda larga.

Na banda ultra estreita, aproveita-se do fato de que estreitando a banda transmitida, o piso de ruído aumenta o que tem um impacto positivo na sensibilidade do receptor, no alcance e também permite a utilização de menor potência na transmissão.

No entanto, a limitação está na capacidade de transmissão de dados, que está limitada a uma taxa muito baixa além de pacotes de dados pequenos, tanto nas comunicações unidirecionais como bidirecionais.

Já, nos casos das tecnologias de banda estreita, combina-se as vantagens da banda ultraestreita com a de banda larga, o que significa um grau a mais na velocidade e no tamanho dos pacotes de dados.

Com a banda larga, podemos alcançar as velocidade maiores, com estas chegando a canais tão largos como 1 MHz, caso em que obtemos a maior taxa de dados possível.

Em suma, com banda mais estreita temos menor necessidade de potência para um determinado alcance, mas perdemos em velocidade. Com banda mais larga, precisamos de mais potência, mas podemos transmitir mais dados.

É claro que modificando as técnicas de transmissão, por exemplo, com o uso de modulação e espectro espalhado, pode-se melhorar o desempenho de cada uma dessas tecnologias, o que significa que, conforme o fabricante podemos ter consideráveis diferenças nos produtos oferecidos.

Além disso, na escolha de uma tecnologia de um determinado fabricante devem ser levados em conta ainda outros fatores como a capacidade da rede, a qualidade do serviço, a a confiabilidade e principalmente a segurança.

Tudo isso nos leva a analisar cada uma das tecnologias de conectividade disponíveis, com uma breve descrição de suas principais características.

 

As tecnologias:

LoRa – trata-se de um acrônimo para Long Range consistindo na camada física de um conjunto de padrões abertos para dispositivos bidirecionais patrocinados pela LorRa Alliance. A implementação de sua rede é denominada LoRaWAN tendo sido desenvolvida pela Semtech,que detém os direitos do chip que é cerne dessa tecnologia, juntamente com a IBM Research e Actility.

A tecnologia LoRa usa trinados de modulação em espectro espalhado, e uma estação base pode tipicamente cobrir área de centenas de quilômetros quadrados, dependendo de fatores locais como, por exemplo, a topografia, existência de obstáculos, etc.

Um exemplo que podemos dar é o SX1276 da Semtech que é usado em sistema de leitura de medidores em automação predial, alarmes sem fio, sistemas de segurança, controle e monitoramento industrial e sistemas de irrigação.

Na figura 1 damos o diagrama de blocos deste transceiver que opera na faixa de µHF de 137 a 1020 MHz com diversas larguras de faixa, de 7,8 a 500 kHz.

 


 

 

 

O datasheet deste componente pode ser acessado em: http://www.semtech.com/images/datasheet/sx1276_77_78_79.pdf

Com este produto é possível ter comunicações em diversos canais com taxa de dados que vão de 300 b/s a 50 kb/s selecionadas pelo servidor da rede de acordo coma potência de saída de cada dispositivo IoT.

 

Sympohny Link e Ensemble – Esta tecnologia foi desenvolvida pela Link Labs, como uma marca variante proprietária da LoRa WAN que usa sua camada física, mas uma arquitetura MAC diferente para alcançar funcionalidade adicional.

O produto principal da empresa é o Symphony Link System que usa uma estação-base de 8 canais operando na faixa ISM de 433 a 915 MHz e na faixa de 868 MHz usada na Europa. O alcance chega a 10 milhas.

Veja mais em: http://www.link-labs.com/product/iot-software/

 

SIGFOX

Este é um produto da empresa de mesmo nome que o fornece para 19 países cobrindo uma área de 1,2 milhões de quilômetros quadrados, incluindo cidades importantes como São Francisco, Califórnia. Recentemente, a empresa anunciou sua intenção de estender sua cobertura para mais de 100 cidades dos Estados Unidos. Este sistema opera na faixa de 815 a 915 MHz transmitindo pequenos pacotes de dados muito devagar, uma taxa de apenas 300 b/s. A modulação é a BPSK (Binary Shift Keying). Uma característica desta tecnologia é o seu longo alcance sendo indicada para aplicações IoT que exijam pequenas quantidades de dados.

A modulação é de banda ultraestreita o que possibilita um alcance de até 1 000 km como uma simples estação-base, e tem uma capacidade de atender até 1 milhão de dispositivos IoT por estação. Cada mensagem pode ter até 12 bytes e cada dispositivo só pode enviar até 140 mensagens por dia, o que limita bastante as aplicações, mas tem realmente interesse prático em muitas áreas. Os primeiros dispositivos são unidirecionais, mas em breve estarão disponíveis os dispositivos com conectividade bidirecional.

Os vendedores podem fornecer a propriedade intelectual do uso de graça. Muitas empresa vendem atualmente os chipsets da SIGFOX como a MOUSER, além de antenas, placas de avaliação e expansão, além de outros componentes. Na figura 2 temos um diagrama de blocos desta aplicação.

 

Figura 2 – Diagrama funcional
Figura 2 – Diagrama funcional

 

Veja mais em: https://www.sigfox.com/

Weightless – este padrão aberto tem três versões: Wieghtless-N, Weightless-P e Weightless-W. A primeira é unidirecional e tem um alcance que chega aos 5 km. Os dispositivos que a usam pode funcionar por até 10 anos antes de necessitar troca de bateria. A versão P é bidirecional, com recursos mais completos, mas seu alcance é menor, 2 km, e os dispositivos que a utilizam podem funcionar de 3 a 8 anos antes de precisar de troca de bateria. Finalmente, a versão W tem uma conectividade bidirecional com alcance que chega a 5 km, e os dispositivos que a usam podem operar de 3 a 5 anos. A versão W opera no espaço vago de espectro em que antes havia a TV em analógica.

A modulação usada é a GMSK e Offset_QPSK em espectro espalhado com esquemas de canais laterais de 12,5 kHz de largura e uma potência de RF transmitida de apenas 17 dBm.

Quando colocada num dispositivo IoT, a corrente quiescente é de apenas 100 uW o que a torna compatível com muitos sensores IoT alimentados por uma simples bateria de Litio-Ion do tipo usado em relógios.

A Weigthless pode ser usado em qualquer banda livre de licença, tem criptografia 128/256 AES e autenticação está disponível, em ambos os terminais da rede.

 

Nwave – Esta tecnologia usa tecnologia de banda ultraestreita e técnicas de rádio definidas por software (SDR), podendo operar em qualquer banda de frequências sem licença. A estação base pode gerenciar até 1 milhão de dispositivos IoT numa distância de até 10 km com uma potência de saída de 100 mW ou menos e taxas de dados de 100 b/s. Os dispositivos alimentados por bateria têm uma autonomia de até 10 anos.

Veja mais em: http://www.nwave.io/

 

Ingenu – O Machine Network da Ingenus também chamado de On-Ramp Wireless opera na faixa de 2,4 GHz e utiliza um sistema de modulação denominado RPMA ou Ramdm Phase Multiple Access que usa uma sequência direta em espectro espalhado e possui um controle sobre a potência transmitida de acordo com a sensibilidade do receptor de modo a minimizar o consumo de energiza. Nesse sistema, ocorre uma auto-modulação que permite encontrar pontos livres de interferência na transmissão.

Segundo a empresa o alcance chega a 300 milhas por estação base em condições normais de propagação. Atualmente a empresa está usando o sistema em Dallas/Forth Worth na cobertura de uma área de 2 116 milhas quadradas servindo mais de 4,4 milhões de pessoas com 17 pontos de acesso.

Muitas dessas soluções estão sendo desenvolvidas com novos produtos surgindo a todo momento. A Texas Instruments e a Silicon Labs são exemplos de empresas que estão lançando novos produtos como o Si4464 e CC1120. http://www.ingenu.com/

Na figura abaixo temos o diagrama funcional do CC1120.

 

Figura 3 – Diagrama funcional do CC1120
Figura 3 – Diagrama funcional do CC1120

 

Este transceiver opera na faixa de 164 a 950 MHz em três versões e tem uma eficiência espectral elevada.

 

Conclusão

O que vimos são apenas alguns dos novos produtos desta tecnologia que deve ampliar-se nos próximos anos com alcances cada vez maiores e maior eficiência na transmissão de quantidades de dados cada vez maiores.

Esses novos produtos deverão fazer parte de uma crescente quantidade de produtos IoT que estarão nas nossas casas e em toda parte, dotando o mundo de uma interconectividade que promete ser total, segundo as previsões em poucos anos.

Acompanhar todos os lançamentos com suas características cada vez mais inovadoras é importante para os nossos leitores que pretendem desenvolver produtos IoT e não lançá-los já “vencidos” porque a tecnologia do concorrente é mais avançada.

Velocidade no desenvolvimento, e estar sempre à frente com a tecnologia, é fundamental para êxito nesse mercado. A Mouser oferece uma linha completa desse produtos e as placas de desenvolvimento que permitem chegar rapidamente ao mercado com o produto mais avançado no momento.

http://www.mouser.com/ds/2/308/AX-SIGFOX-D-782033.pdf  and http://www.mouser.com/pdfdocs/TI-Long-range-RF-communication.pdf

 

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