SANTOS, Lucas Gomes

FACULDADE INDEPENDENTE DO NORDESTE CURSO DE BACHARELADO EM ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO

LUCAS GOMES SANTOS

REDE LORA E PROTOCOLO LORAWAN COMO FERRAMENTA EM MONITORAMENTO AGRÍCOLA

VITÓRIA DA CONQUISTA – BA 2019

LUCAS GOMES SANTOS

REDE LORA E PROTOCOLO LORAWAN COMO FERRAMENTA EM MONITORAMENTO AGRÍCOLA

Monografia apresentado ao Curso de Engenharia da Computação da Faculdade Independente do Nordeste, como parte dos requisitos para a obtenção do título de Bacharel da Engenharia da Computação.

Orientador: Prof. MSc. Oliver Tompson Lessa dos Santos

VITÓRIA DA CONQUISTA – BA 2019

LUCAS GOMES SANTOS

REDE LORA E PROTOCOLO LORAWAN COMO FERRAMENTA EM MONITORAMENTO AGRÍCOLA

Essa monografia foi julgada e adequada à obtenção do título de bacharel em Engenharia da Computação e aprovada em sua forma final pelo colegiado de Engenharia da Computação as Faculdade Independente do Nordeste.

Aprovado em (07/06/2019).

BANCA EXAMINADORA / COMISSÃO AVALIADORA

Prof. MSc. Oliver Tompson Lessa dos Santos Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR

Prof. MSc. Marcos Gomes Prado Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR

Prof. MSc. Ciro Campos Chaves Faculdade Independente do Nordeste – FAINOR

VITÓRIA DA CONQUISTA - BA 2019

Ă€ minha famĂ­lia que sempre foram meu porto seguro.

AGRADECIMENTOS

Agradeço primeiramente a Deus por ter me presenteado com a oportunidade de realização de um sonho, e por ter me dado forças para enfrentar as dificuldades que tive ao longo desse percurso.

Aos meus pais Emílio Almeida e Rosália Santos e irmão Leonardo Almeida e avó Juliana Santos que são meus principais alicerces, estes sempre batalharam para me oferecer uma educação de qualidade, e que sempre me deram amor, carinho e incentivo durante toda essa minha trajetória.

A minha companheira Alessandra de Bairros e a sua mãe Terezinha Solange de Bairros, e a toda família Bairros por sempre estar ao meu lado me dando amor, atenção e que sempre incentivou a conquistar os meus objetivos. Também quero agradecer as famílias Sampaio e Viana, que me acolheram nessa nova cidade em que residi.

Aos meus amigos Anderson da Silva Gomes, Ramon Junior Sampaio, Hellen Lima, entre outros. Ao meu orientador Oliver Tompson Lessa dos Santos e aos excepcionais professores Milton Leão, Munelar Falcão e Marlon Pamponet.

“O sucesso nasce do querer, da determinação e persistência em se chegar a um objetivo. Mesmo não atingindo o alvo, quem busca e vencer obstáculos, no mínimo fará coisas admiráveis.”

(José de Alencar)

RESUMO

O mercado agrícola tem alcançado números cada vez mais expressivos de produção e isso é o resultado, entre outros fatores, das inúmeras tecnologias desenvolvidas para o setor. Esse trabalho tem como objetivo verificar a viabilidade de utilização das tecnologias LoRa e LoRaWAN como ferramentas de auxílio em sistemas de monitoramento de áreas agrícolas. O LoRa é uma solução Low Power Wide-Area Network (LPWAN) destinados para sistemas que requerem a capacidade de enviar e receber pequenas quantidades de dados através de muitos quilômetros sem altos custos de energia. Para verificação disso, foi desenvolvido um protótipo de um sistema de monitoramento de umidade do solo, que utiliza a rede LoRa e o protocolo LoRaWan como ferramentas de comunicação sem fio entre o end-point e o gateway. Onde através de testes foi constatado a eficiências dessas tecnologias, quando aplicadas em uma arquitetura de rede de sensores sem fio, por seu baixo consumo energético e alcance geográfico suficiente na comunicação, caraterísticas essenciais em aplicação no ambiente agrícola. Tais fatores tornam essas tecnologias relevantes para integração em sistemas de monitoramento agrícola.

Palavras-Chave: Internet das Coisas, LoRa, LoRaWAN, Rede sem Fio.

ABSTRACT The agricultural market has reached ever more expressive numbers of production and this is the result, among other factors, of the innumerable technologies developed for the sector. This work aims to verify the feasibility of using LoRa and LoRaWAN technologies as tools to aid in the monitoring of agricultural areas. LoRa is a Low Power Wide Area Network (LPWAN) solution designed for systems that require the ability to send and receive small amounts of data over many miles without high energy costs.

To verify this, a prototype of a soil moisture monitoring system was developed, using the LoRa network and the LoRaWan protocol as tools for wireless communication between the end-point and the gateway. Where through tests it was verified the efficiencies of these technologies, when applied in a wireless sensor network architecture, due to its low energy consumption and sufficient geographic reach in communication, essential characteristics applied in the agricultural environment. Such factors make these technologies relevant for integration into agricultural monitoring systems.

Keywords: Internet of Things, LoRa, LoRaWAN, Wireless Network.

LISTA DE FIGURAS Figura 1 - Classificação radiação eletromagnética .................................................... 23 Figura 2 - Características de enlace de padrões selecionados de rede sem fio ....... 27 Figura 3 - Espectro de frequência e comprimento de onda de diferentes tipos de ondas de comunicação ........................................................................................................ 34 Figura 4 - Processo de modulação do sinal LoRa ..................................................... 37 Figura 5 - Processo de demodulação do sinal LoRa ................................................. 37 Figura 6 – Disposição de camadas do LoRaWAN .................................................... 40 Figura 7 – Exemplo de topologia para uma rede LoRaWAN ..................................... 41 Figura 8 – Gráfico de comparação das classes de dispositivos pelo consumo de bateria e latência de comunicação de downlink na rede ........................................... 42 Figura 9 – Janelas de recepção do dispositivo LoRaWAN classe A ......................... 42 Figura 10 – Janelas de recepção do dispositivo LoRaWAN classe B ....................... 43 Figura 11 – Janelas de recepção do dispositivo LoRaWAN classe C ....................... 43 Figura 12 – Estrutura do uplink de camada física ..................................................... 44 Figura 13 – Estrutura do downlink de camada física ................................................. 45 Figura 14 – Formato das mensagens do LoRaWAN ................................................. 46 Figura 15 – Comparação do tempo de transmissão de um símbolo LoRa com diferentes fatores de espalhamento .......................................................................... 49 Figura 16 – Formato das mensagens LoRa PHY ...................................................... 50 Figura 17 – Arquitetura do protótipo desenvolvido .................................................... 55 Figura 18 – Chips Wi-Fi LoRa 32 .............................................................................. 57 Figura 19 – Componentes Wi-Fi LoRa 32 ................................................................. 57 Figura 20 – Diagrama de pinos Wi-Fi 32 LoRa ......................................................... 58 Figura 21 – Antena 2 dBi ........................................................................................... 58 Figura 22 – Módulo Sensor de Umidade do Solo HI-69 ............................................ 59 Figura 23 – Pilhas 5000mAh ..................................................................................... 59 Figura 24 – Composição módulo regulador de tensão 5v ......................................... 61 Figura 25 – Unidade Emissora .................................................................................. 61 Figura 26 – Unidade Receptora ................................................................................ 63 Figura 27 – Fluxograma do software para teste de alcance LoRa LoRa da Unidade Transmissora............................................................................................................. 65 Figura 28 – Fluxograma do software para monitoramento de umidade do solo da Unidade Transmissora .............................................................................................. 66 Figura 29 – Fluxograma do software para teste de alcance LoRa da Unidade Receptora .................................................................................................................. 68 Figura 30 – Fluxograma do software para monitoramento de umidade do solo da Unidade Receptora ................................................................................................... 70 Figura 31 – Unidades Emissora/Receptora acopladas as hastes ............................. 72 Figura 32 –Ambiente urbano cenário de visada direta entre as unidades ................. 73 Figura 33 - Unidades emissora/receptora em ambiente urbano................................ 73 Figura 34 - Ambiente agrícola cenário de visada direta entre unidade ..................... 75 Figura 35 – Agropecuária Sapucaí ............................................................................ 76

Figura 36 – Unidades emissora/receptora na Agropecuária Sapucaí ...................... 78 Figura 37 - Potência do sinal para cada distância avaliada em ambiente urbano ..... 81 Figura 38 - Taxa de sucesso na entrega de pacotes em ambiente urbano ............... 82 Figura 39 - Potência do sinal para cada distância avaliada em ambiente agrícola ... 84 Figura 40 - Taxa de sucesso na entrega de pacotes em ambiente agrícola ............. 84 Figura 41 - Valores de umidade do solo da Agropecuária Sapucaí .......................... 86

LISTA DE QUADROS Quadro 1 – Faixas de frequências e suas principais aplicações ............................... 24 Quadro 2– Lista de benefícios dos membros da LoRa Alliance conforme utilização 32 Quadro 3 – Ferramentas e tecnologias utilizadas ..................................................... 54 Quadro 4 – Componentes utilizados na unidade transmissora ................................. 56 Quadro 5 – Componentes módulo regulador de tensão 5V ...................................... 60 Quadro 6 – Componentes utilizados na unidade transmissora ................................. 62

LISTA DE TABELAS Tabela 1 – Distribuição de canais para as faixas de frequência ISM US 868 Mhz e EU 915 Mhz .................................................................................................................... 47 Tabela 2 - Resultado da comunicação LoRa visada direta em ambiente urbano..... 81 Tabela 3 - Resultado da comunicação LoRa visada direta em ambiente agrícola ... 83

LISTA DE SIGLAS E ABREVIATURAS CSS

Chirp-Spread-Spectrum

IoT

Internet of Things

LoRa

Long Range

LoRaWAN

Long range Wide Area Nerwork

LPWAN

Low Power Wide Area Network

QoS

Quality of Service

RF

Radio Frequency

RSF

Rede sem Fio

RSSF

Rede de Sensores sem Fio

SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO

17

1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA DE PESQUISA 1.2 QUESTÃO CENTRAL DA PESQUISA 1.3 HIPÓTESE 1.4 OBJETIVO GERAL 1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 1.6 JUSTIFICATIVA 1.7 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA

17 18 18 18 18 19 19

2 ESTADO DA ARTE

20

3 REFERENCIAL TEÓRICO

22

3.1 COMUNICAÇÕES UTILIZANDO ONDAS ELETROMAGNÉTICAS 3.1.1 - Modulação por espalhamento espectral 3.2 REDES SEM FIO 3.2.1 Redes de Sensores sem Fio 3.3 INTERNET DAS COISAS 3.4 AGRICULTURA E AS REDES SEM FIO 3.5 REDE LORA 3.5.1 Histórico da rede LoRa 3.5.2 - Características da rede LoRa 3.5.3 Modulação LoRa 3.6 PROTOCOLO LORAWAM 3.6.1 Classes de dispositivos 3.6.2 Formato das Mensagens LoRa e LoRaWAN 3.6.2.1 Mensagens da camada física 3.6.2.2 Mensagens de camada de enlace 3.7 - PARÂMETROS DE CONFIGURAÇÃO DO LORA 3.7.1 - Frequência da portadora 3.7.2 - Taxa de código 3.7.3 - Fator de espalhamento 3.7.4 - Formato da carga útil no LoRa 3.8 - PROTOCOLO MQTT 3.9 - OUTRAS TECNOLOGIAS LPWAN 3.9.1 DASH7 3.9.2 Sigfox 3.9.3 Weightless

22 24 25 29 30 31 31 32 33 35 39 41 44 44 45 46 46 47 48 49 50 51 51 51 52

4 METODOLOGIA

53

4.1 TIPOS DE PESQUISA QUANTO AOS OBJETIVOS 4.2 TIPOS DE PESQUISA QUANTO À ABORDAGEM 4.3 TIPOS DE PESQUISA QUANTO AOS PROCEDIMENTOS TÉCNICOS 4.4 MATERIAIS E INSTRUMENTOS DE PESQUISA

53 53 53 54

5 DESENVOLVIMENTO

55

5.1 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO 5.1.1 Unidade Emissora 5.1.2 Unidade Receptora 5.1.3 Desenvolvimento dos Softwares Emissor/Receptor 5.1.3.1 Unidade Emissora 5.1.3.2 Unidade Receptora 5.2 CENÁRIO DE EXPERIMENTOS 5.2.1 Comunicação entre unidade emissora e receptora com visada direta em perímetro urbano 5.2.2 Comunicação entre unidade emissora e receptora com visada direta em perímetro rural 5.2.3 Monitoramento de Umidade com Comunicação Wi-Fi LoRa 5.2.3.1 Definição de Parâmetros 5.2.3.1.1 Posicionamento dos Módulos Emissor/Receptor 5.2.3.1.2 Profundidade do sensor 5.2.3.1.3 Taxa de amostragem 5.2.3.1.4 Tratamento da Informações Coletadas

55 56 62 64 64 67 71

6 RESULTADOS E DISCUSSÕES

80

6.1 ALCANCE NA COMUNICAÇÃO ENTRE DISPOSITIVOS LORA 6.1.1 Resultado da Visada Direta em Perímetro Urbano 6.1.2 Resultado da Visada Direta em Perímetro Rural 6.2. SISTEMA DE MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO LORA

80 80 83 85

7 CONCLUSÃO

88

7.1 TRABALHOS FUTUROS

89

REFERÊNCIAS

90

72 74 76 77 77 78 78 79

17

1 INTRODUÇÃO 1.1 CONTEXTUALIZAÇÃO DO PROBLEMA DE PESQUISA

Os sistemas computacionais são utilizados para auxiliar ou até mesmo realizar certas tarefas do homem moderno. É cada vez mais comum o emprego desses sistemas para resolver problemas enfrentados no dia-a-dia em diversas áreas de atuação. Existem aplicações específicas onde computadores realizam tarefas hostis ao homem ou até substitui a mão de obra humana.

A agroindústria brasileira se destaca em números de produção de alimentos, e isso se deve a estudos e ao desenvolvimento de tecnologias que possibilitem a maximização da produção em áreas cultivadas pelos agricultores. Uma parte dessas soluções advêm da presente era da Internet da Coisas (Internet of Things - IoT) (TEIXEIRA, 2017), que apresenta propostas de interconectividade, ou seja, conexão de vários dispositivos a uma rede e essa rede conectada a outras, sem a necessidade de cabeamentos. E isso é de grande aplicabilidade, principalmente para conexões à locais remotos.

Através de pesquisas sobre o atual cenário agrícola, bem como em experiências práticas nesse meio, constatou-se a necessidade de sistemas que disponibilizem aos agricultores informações como métricas de umidade do solo, umidade do ar, temperatura. Essas informações tem o intuito de auxiliar os produtores em tomadas de decisões e em ações a serem executadas em suas lavouras, como condições ideais para plantio, aplicações nas mais diversas modalidades e colheita.

Desenvolver um sistema que forneça essas informações, implica em atender a requisitos bem específicos, uma vez que esse cenário tem suas particularidades.

Entre eles estão as longas distâncias entre pontos a serem monitorados, eficiência energética, exposição a fatores climáticos, etc.

As tecnologias LoRa e LoRaWAN, surgiram com características direcionadas para internet das coisas, essencialmente para sistemas que necessitam de interconectividade, eficiência energética, e maior alcance para comunicações em emissor e receptor (YOSHIDA, 2017).

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A proposta deste trabalho é analisar as tecnologias LoRa e LoRaWAN, com o objetivo de averiguar se estas tecnologias são alternativas viáveis como ferramentas de comunicação sem fio em sistemas de monitoramento agrícola.

1.2 QUESTÃO CENTRAL DA PESQUISA

A rede LoRa e seu protocolo LoRaWAN são tecnologias viáveis no âmbito técnico, com a finalidade de serem utilizadas como meio de comunicação sem fio em sistemas monitoramento agrícola?

1.3 HIPÓTESE Utilizando dos conhecimentos em eletrônica, redes de computadores e linguagens de programação adquiridos na Instituição de Ensino, bem como a leitura de autores como Teixeira (2017), Vangelista (2015) e Yuri (2017) que discorrem sobre LoRa, onde constatam que essas são tecnologias novas e de extremo potencial para aplicações em internet das coisas, espera-se que seja constatada a sua aplicabilidade técnica em sistemas de monitoramento agrícola.

1.4 OBJETIVO GERAL

Averiguar se a Rede LoRa e o protocolo LoRaWAN são alternativas viáveis no âmbito técnico, com a finalidade de serem utilizados como meio de comunicação sem fio em um sistema de monitoramento agrícola.

1.5 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ●

Expor a arquitetura e as características da rede LoRa e seu protocolo LoRaWAN.

●

Desenvolver um protótipo de um sistema de monitoramento que utiliza a rede LoRa e protocolo LoRaWAN como meio de comunicação sem fio.

●

Realização de testes em campo com intuito de comprovar a eficiência da rede LoRa.

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1.6 JUSTIFICATIVA No século XXI onde "tempo é dinheiro", sistemas inteligentes e interligados são tendências, compreender tecnologias que possam ser integradas ao segmento IoT é algo que pode ser bastante útil. A abordagem proposta neste trabalho é relevante devido à escassez de pesquisas nesta área utilizando essa tecnologia LoRa. Mas a principal relevância é que, se comprovada a eficiência, e sejam implementadas as tecnologias LoRA e LoRaWAN e um sistema de monitoramento de unidade climáticas, este poderá fornecer informações importantes aos agricultores para auxiliar em tomada de decisões. Decisões como a escolha das condições corretas de se iniciar o plantio ou não, bem como pela escolha de momentos apropriados para a aplicação de defensivos agrícolas. Todas essas decisões influenciam de maneira direta a produção.

1.7 ESTRUTURA DA MONOGRAFIA

Este trabalho está dividido em 7 capítulos. O primeiro é composto pela introdução, contextualização, questão de pesquisa, hipótese, objetivo geral, objetivos específicos e a justificativa. O Segundo capítulo é o estado da arte no qual são apresentados trabalhos com a linha de pesquisa semelhante ao tema que foi proposto.

No terceiro capítulo contém o referencial teórico, expondo as tecnologias utilizadas no estudo. O quarto capítulo descreve a metodologia abordada para o desenvolvimento da pesquisa, demonstrando métodos, técnicas e procedimentos mencionados no discorrimento do tema. O quinto capítulo se refere ao desenvolvimento do sistema em questão. O sexto capítulo apresenta os resultados obtidos através de testes realizados na cidade de Vitória da Conquista e na Agropecuária Sapucaí localizada no oeste do estado da Bahia. O sétimo e último capítulo faz a conclusão, verificando se os objetivos foram alcançados, e levantamento das considerações finais, e citação dos trabalhos futuros.

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2 ESTADO DA ARTE

Atualmente é cada vez mais comum se falar em IoT, todos os dias surgem ferramentas para facilitar nas atividades humanas. Tudo isso advém das pesquisas realizadas em diversas áreas. Existem estudos abordando a rede LoRa e o protocolo LoRaWAN. Os autores Teixeira et al. (2017) e Vangelista (2015), realizam uma abordagem mais descritiva sobre as duas tecnologias. O primeiro descreve as características e histórico dessa rede e protocolo, cita também regras normativas que delimitam a utilização dessa rede no Brasil. O segundo estudo, além de abordar as características, faz uma breve comparação de rede e protocolo com as tecnologias para o mesmo segmento, como SIGFOX e UBN. Nesse mesmo aspecto de comparação de tecnologias, Sharam et al. (2017), aborda a diferença técnica entre o LoRa e Narrowband IoT (NB-IoT), e discorre sobre a arquitetura e protocolos utilizados por ambas. Quantificou-se também em números estatísticos a qualidade do serviço, consumo energético e latência dessas duas tecnologias.

Em um aspecto de testes das tecnologias, Quenté e Kamienski (2018) realizam um estudo onde utilizam um simulador NS-3 como ferramenta de teste, em um cenário de irrigação agrícola. Eles simulam a comunicação entre dispositivos LoRa em diferentes distâncias, com intuito de verificar a confiança na entrega de pacotes no processo de comunicação entre dispositivos finais com os respectivos gateways.

Yuri (2017), em sua monografia faz um estudo sobre o desempenho de diferentes tipos de tecnologias de comunicação sem fio em uma rede de sensores para o monitoramento aplicados a agricultura de precisão. Neste estudo são testados e avaliados os principais protocolos existentes atualmente dentre eles o LoRaWAN, com características de conexão sem fio de longo alcance.

Em uma abordagem de aplicação da rede LoRa, Teixeira et al. (2017), descreve um sistema de agricultura de precisão teórico, que utilizaria a rede LoRaWAN para exercer a comunicação entre os dispositivos. Nesta mesma obra o autor cita os principais módulos LoRaWAN disponíveis atualmente, bem como funcionaria toda a comunicação da rede sem fio, e ainda estipula lucros previstos se implantado o sistema.

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Em um outro estudo de aplicação, Silva et al. (2017), desenvolvem um produto para o monitoramento de armas de fogo através da LoRa. Onde estruturou-se a rede com uma topologia estrela que se conecta a outras redes, para o envio das coordenadas de cada dispositivo monitorado.

Devido ao pouco tempo do surgimento dessas duas tecnologias, pesquisas com a temática proposta neste estudo ainda são escassas, tanto nacionalmente quanto internacionalmente.

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3 REFERENCIAL TEÓRICO

Este capítulo apresenta a revisão bibliográfica de modo a apresentar os conceitos de redes sem fio e o cenário atual das redes sem fio utilizadas na agricultura, bem como o histórico e características gerais da rede LoRaWAN, detalhando o seu estado de camada física LoRa.

3.1 COMUNICAÇÕES UTILIZANDO ONDAS ELETROMAGNÉTICAS

As ondas eletromagnéticas exercem um papel importante na área das comunicações. Essas ondas podem ser compreendidas como a combinação de campos elétricos e magnéticos, para (REAL; 2008), “[...] compõe-se de um campo elétrico em um magnético, que oscilam perpendicularmente um ao outro e à radiação da propagação de energia[...]". Todo esse conjunto se auto-propaga, isto é, não se tem a necessidade de um meio para que se propaguem.

As ondas eletromagnéticas são caracterizadas por três grandezas. Primeira é o período, que é o tempo que a onda leva para percorrer um ciclo, a segunda é a frequência que refere ao número de ciclos por unidade de tempo e tem sua unidade como Hertz, que corresponde a um ciclo por segundo, e a terceira e última a fase, que representa o avanço ou atraso da onda com relação ao ponto de origem (REAL, 2008).

Esse fenômeno também é conhecido como radiação eletromagnética e pode ser classificado de acorda com a frequência (Hertz) da onda. Para Tanenbaum (2003, pg. 107) essa classificação em ordem decrescente de comprimento de onda é a seguinte: onda de rádio, micro-onda, radiação terahertz (também conhecida como Raios T), radiação infravermelha, luz visível, rádio ultravioleta, Raios-X e Radiação Gama. A Figura 1 exibe essa classificação de maneira espectral.

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Figura 1 - Classificação da radiação eletromagnética

Fonte: REAL, (2008).

Conhecido e compreendido sobre o potencial do fenômeno das ondas eletromagnéticas, no início do século XIX iniciou-se a sua utilização na área de comunicações, com a invenção do telégrafo sem fio. A infraestrutura básica para a comunicação utilizando esse formato de onda, compõem-se basicamente em um aparelho transmissor onde as ondas são geradas por meio de variações de corrente elétrica aplicadas em uma antena (REAL; 2008). E um outro aparelho receptor, onde essas ondas são captadas por meio de uma outra antena, e este as transforma novamente em impulsos elétricos, e então filtra-se a frequência desejada. Essa filtragem se faz uma vez que podem existir diversas transmissões ocorrendo simultaneamente no mesmo meio (REAL; 2008).

Nas comunicações por ondas eletromagnéticas, são utilizadas principalmente no intervalo de frequências de 0 á 300 GHz, e quanto maior a frequência maior será a largura de banda, o que significa que mais dados podem ser transmitidos por intervalo de tempo (REAL; 2008, TANENBAUM; 2003, pg. 107). E ainda também que cada frequência tem alcance e permeabilidades diferentes, e essa conjunto de características tornam faixas de frequências mais adequadas a diferentes tipos de transmissão.

O Quadro 1, mostra a faixa de frequências e suas principais aplicações:

24

Quadro 1 – Faixas de frequências e suas principais aplicaçþes

FrequĂŞncia

Comprimento de Onda

Aplicaçþes

3 Hz a 30 Hz

107 - 108 m

Comunicação com submarinos

300 Hz a 3 kHz

105 - 106 m

Comunicação em minas

30 kHz a 300 kHz

10 - 10 m

Comunicação internacional, navegação, rådio em alguns países

300 kHz a 3 MHz

102 - 103 m

Navegação, rådios AM

3 MHz a 30 MHz

10 – 100 m

RĂĄdios HM

30 MHz a 300 MHz

1 – 10 m

Rådios FM, televisão, aviação

300 MHz a 3 GHz

0,1 – 1 m

TelevisĂŁo aberta, celulares, redes sem fio

3 GHz a 30 GHz

10-2 – 10-1 m

Redes sem fio, satĂŠlites

30GHz a 300 GHz

10-3 – 10-2 m

Radares, rådios-astronomia, armas avançadas

3

4

Fonte: REAL, (2008)

Para se obter essa gama de aplicaçþes, existem inúmeras modulaçþes que são utilizadas com finalidades específicas, seja para ser ter uma maior robustez, ou maior taxa de transmissão de dados, ou atÊ mesmo maior imunidade a ruídos.

3.1.1 - Modulação por espalhamento espectral

O espalhamento espectral - (Chirp Spread Spectrum - CSS), Ê um tipo de modulação de acesso múltiplo em que o sinal enviado ocupa uma largura de banda consideravelmente superior ao mínimo necessårio para enviar a informação, sendo o espalhamento espectral efetuado antes da transmissão (YUN et al.; 2012). Assim aumentando a largura de banda, eleva a probabilidade de o receptor receber o sinal com a informação correta.

Um fator de desempenho utilizado comumente para este tipo de modulação e dado pela equação: đ??ľ = đ?‘…/đ?‘Š

(1)

25

onde R é a taxa de transmissão de bits/s e W a banda total utilizada em Hz. De maneira geral pretende-se que um determinado sistema de comunicação tenha o maior número de bits/s por Hz para uma dada taxa de erro por bit (bit error rate - BER).

Do ponto de vista espectral esse modelo de modulação é pouco eficiente, mas sua principal vantagem, é de que está modulação relativamente imune a interferências e ruídos ocasionalmente encontrados em certos canais de comunicações via rádio ou via satélite (JESUS; 2006). Está resistência às interferências representa também um maior grau de confiabilidade, onde está resistividade significa que se para obter o mesmo desempenho em termos de taxa de erro, pode-se enviar sinais com potências inferiores.

Todas essas características de baixa potência, confidencialidade e imunidade às interferências e ruídos são obtidas através da introdução de um sinal com determinado grau de aleatoriedade no código de transmissão. Isto é, anteriormente a transmissão, são inseridos no sinal sequências pseudos aleatórias, conhecidas somente pelo emissor e receptor.

3.2 REDES SEM FIO

Rede sem fio (Wireless) é uma rede de comunicação onde pelo menos dois terminais (Notebook, Smartphone, etc.) podem se comunicar sem a utilização de fios, e ao invés disso a transmissão é realizada através de ondas eletromagnéticas.

As Redes sem Fio RSF promovem a comunicação entre equipamentos distantes de uma dezena de metros a alguns poucos quilômetros. Além disso essas redes não exigem uma infraestrutura muito complexa, ao contrário das tradicionais redes cabeadas onde se tem que construir toda uma malha de cabos para interligar os dispositivos (TANENBAUM; 2003, pg. 23). Além dessas vantagens, essa tecnologia ainda possibilita a mobilidade dos dispositivos que a utiliza como meio de comunicação, fazendo com que ela se torne muito utilizada em ambientes corporativos e domésticos.

A rede wireless abrange três camadas do modelo OSI (Open Systems Interconect) de comunicação, sendo elas camada física, que são os meios de transmissão, camada de enlace, na qual tem como funções detecção e correção de erros, e a camada de rede que é responsável por rotear a informações de dois ou mais sistemas de comunicação, determinar a qualidade do serviço QoS (Quality of Service)

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da rede, e controlar o fluxo de dados na rede, evitando assim congestionamentos (DORNAN; 2001).

Sobre a infraestrutura das RSF, Kurose e Ross (2008, pg. 381) lista os seguintes elementos: ●

Hospedeiro sem fio - são equipamentos de sistemas finais que executam aplicações, como notebooks smartphones e etc.

●

Enlace sem fio – quando um hospedeiro se conecta a uma estação-base, ou a outro hospedeiro sem fio, ele utiliza um enlace de comunicação. Esses enlaces podem ter características diversas envolvendo taxas de transmissão e distâncias de alcance.

●

Estação-base - é uma parte fundamental da infraestrutura da RSF, este componente é responsável pelo envio e recebimento de dados de um hospedeiro sem fio conectado a ela. Quando se tem vários hospedeiros conectados à esta, será responsável pela coordenação das transmissões.

Hospedeiros associados a uma estação-base, estão operando em modo de infraestrutura,

uma

vez

que

todos

os

serviços

tradicionais

de

endereçamento e roteamento, são fornecidos pela rede a qual estão conectados. ●

Infraestrutura de rede - é a maior rede com a qual um hospedeiro sem fio pode se conectar.

Dentro das RSF, existe um tipo de rede que não utiliza o componente Estaçãobase conhecida como Rede Ad Hoc, que é uma expressão do latim que significa “para este fim”. A redes ad hoc, permite que dispositivos móveis possam constituir uma rede em áreas onde não existe uma infraestrutura pré-definida de comunicação (MORAIS; 2007). Essa modalidade constitui um tipo de rede de dispositivos (nós) em que não se tem um nó central, em outras palavras não existe o elemento estação-base descrita anteriormente. Morais (2007), descreve que a ligação entre dois nós é independente de outras existentes na rede, dessa maneira se uma comunicação der errado, seja por perda de conexão ou falha no dispositivo, as outras ligações continuam funcionando.

Compreendido as partes das RSF, e usando como exemplo a rede ad hoc existem várias combinações diferentes para se formar redes sem fio. Essa diversidade de opções leva esse modelo de rede a ser classificados com base em critérios. Kurose

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e Ross (2008, pg. 383), descrevem esses critérios da seguinte forma, primeiro é que se na travessia da rede sem fio um pacote faz um salto único ou múltiplos saltos, o outro é se á uma infraestrutura de rede, como uma estação base. Esses dois critérios podem ser combinados, a Figura 2 a seguir ilustra essas categorias: Figura 2 - Características de enlace de padrões selecionados de rede sem fio

Fonte: Kurose e Ross, (2008, p. 383)

Na categoria de salto único com infraestrutura, estão as RSF que tem uma estação-base conectada a uma rede cabeada maior, na grande maioria a rede de internet, e toda a comunicação entre o hospedeiro e estação-base são feitos através de um único salto (KUROSE, ROSS; 2008, pg.383). Observando a Figura 2, nesta categoria estão as redes 802.11 que são as redes domésticas de Wi-fi, e as redes dados por celular 3G. Já na categoria salto único sem infraestrutura, não existe uma estação-base conectada a RSF, cabe a um nó específico dessa rede de salto único, a coordenação das transmissões dos outros nós (KUROSE, ROSS; 2008, pg.384). Nesta categoria estão as redes 802.11 no modo ad hoc e as redes bluetooth.

Existe também a categoria múltiplos saltos, com infraestrutura, nesta existe uma estação-base conectada a uma rede maior, e a comunicação entre determinado hospedeiro e a estação-base pode passar por vários outros hospedeiros (KUROSE, ROSS; 2008, pg.384). Essas redes formam uma malha, algumas redes de sensores sem fio se encaixam nessa categoria.

28

A última categoria descrita pelos autores Kurose e Ross (2008, pg. 384), é a múltiplos saltos sem infraestrutura onde não existe uma estação-base na RSF, nesta os nós podem ter que estabelecer as mensagens entre diversos outros nós para chegar a um destino. Existe a possibilidade ainda dos nós serem móveis, o que ocasiona e mudanças de conectividade entre eles, está é uma categoria conhecida como redes móveis ad hoc.

De maneira geral a comunicação utilizando ondas eletromagnéticas abrange diversas áreas além das RSF como descrito no Quadro 1, mas esse ramo comunicações é sensível a interferências e ruídos (MORAIS; 2007, GOMES et al.; 2014). Ainda complementando, Gomes et al. (2014) ele diz, “[...] as redes sem fio utilizam um meio de comunicação inerentemente não confiável, o que pode ser agravado devido a ruídos e interferências na faixa de espectro utilizadas para a comunicação [...]”.

Esta falta de confiabilidade desse meio de transmissão estabelece um desafio para se garantir a qualidade do serviço (QoS). Kurose e Ross (2008), descrevem alguns dos problemas enfrentados pelas RSF: ●

Redução da força do sinal – ocorre por diversos fatores, como a atenuação da radiação eletromagnética ao atravessar algum tipo de material, como paredes, estruturas metálicas e etc. Esta redução ocorre também simplesmente pela propagação no ar livre, agravada à medida que aumenta a distância entre emissor e receptor.

●

Interferências de outras fontes – em um mesmo meio podem existir várias fontes de rádios transmitindo na mesma banda de frequência, e isso ocasiona de interferências de umas nas outras.

●

Propagação

multivias

-

também

conhecida

como

propagação

multicaminhos, ocorre quando parcelas da onda eletromagnética se refletem no solo ou objetos, e tomam caminhos de comprimentos diferentes entre emissor e receptor. O resultado disso é o embaralhamento que chega ao destinatário. Essa situação se agrava ainda mais quando os objetos que estão entre o emissor e receptor se movimentam.

Observando esta listagem, compreende-se que a informação que está sendo transmitida pela rede pode ser alterada durante o percurso, ou simplesmente não chegar. Métodos para contornar esses problemas, bem como a parâmetros que possibilita a comunicação sem fio, são estabelecidos nos protocolos.

29

Protocolos são conjuntos de regras sobre o modo como se acontecerá a comunicação entre as partes envolvidas (TANENBAUM; 2003, pg. 29). No ambiente das comunicações sem fio são os conjuntos de normas que permitem que dois dispositivos se comuniquem. Esses são os responsáveis por fragmentar os dados a serem transmitidas em pequenos pedaços chamados de pacotes, onde em cada um são inseridas informações de endereçamento de origem e destino. Os protocolos também são responsáveis pela sistematização das fases de estabelecimento, controle, tráfego e encerramento de toda a comunicação (TANENBAUM; 2003, pg.

29).

3.2.1 Redes de Sensores sem Fio

Dentro da modalidade de Redes sem Fio, existe um ramo denominado Redes de Sensores sem Fio (RSSF). Esse formato de rede advém dos avanços ocorridos nas áreas de microprocessadores, sistemas eletromecânicos e materiais de sensoriamento, viabilizados pela comunicação sem fio. Loureriro et al., (2003), diz que as RSSF podem ser usadas para monitorar determinado ambiente e em alguns casos até controlá-lo.

As RSSF se diferem bastante das redes de computadores convencionais.

Geralmente esse tipo de rede é composta por um grande número de dispositivos autônomos de pequenas dimensões chamados de nós sensores (RUIZ; 2004), nos quais existem restrições de energia, pouca capacidade computacional e possuem mecanismos para auto-configuração e adaptação capazes de lidar com problemas como falhas de comunicação, e perdas de outros nós (LOUREIRO et al.; 2003).

Nessas redes cada nó pode ser equipado com uma gama de sensores, tais como sensores de temperatura, pressão, infravermelho e etc. De uma visão arquitetural, esses nós podem ser organizados de maneira a formarem grupos (clusters). E podem ser lançados sobre áreas urbanas bem como áreas remotas como florestas, lavouras, oceanos, rios e etc.

Após implantados, esses nós formam uma rede sem fio ad hoc, que coletam dados sobre determinado fenômeno de interesse, os processa e tomam decisão se vão disseminar (fazer broadcast) ou não dessas informações para um ponto de acesso, por meio de um sistema de comunicação multi-saltos (multi-hop)(RUIZ; 2004).

30

Os pontos de acesso são os elementos nos quais as RSSF se comunicam com outras redes, na grande maioria com a rede de internet.

Uma gama de aplicações vem sendo desenvolvidas utilizando essa modalidade de rede sem fio. As RSSF, segundo Loureiro et al. (2003) “[...] podem ser homogêneas ou heterogêneas em relação aos tipos, dimensões e funcionalidades [...]”, dos nós sensoriais. Esse mesmo autor ainda complementa dizendo que estas redes têm potencial para serem empregadas em áreas como controle, onde podem ser embutidos mecanismos que realizam alguma ação em determinado ambiente. Área de segurança com utilização de sensores de movimento, na área ambiental monitorando variáveis ambientais. Ou seja, existe um universo de aplicações para as RSSF.

3.3 INTERNET DAS COISAS

Atualmente se vive em uma era em que a conectividade é um requisito básico para praticamente todos os tipos de negócios. Essa conectividade vai desde informações obtidas por celulares, veículos inteligentes, geladeiras, cafeteiras ou até mesmo por uma caixa de ovos, tudo isso é abrangido no conceito de Internet das Coisas do inglês (Internet of Things – IoT).

Nesse âmbito, Barlate et al. (2018, pág. 26) refere-se a internet das coisas como, "[...] uma infraestrutura de rede dinâmica e global onde nós inteligentes estão interconectados [...]”, e ainda complementa dizendo que “[...] permite que dados sejam coletados, armazenados e processados [...]”. Dessa forma fica entendido que é a possibilidade de coletar dados de fontes diversas através de uma rede de comunicação.

Segundo Tan e Wang (2010, pg. 45) a Internet das Coisas é uma nova forma de tecnologia, tanto de informação quanto de comunicação, que se diferencia da atual em que pessoas se comunicam com pessoa. Essa nova abordagem vem com a premissa de que coisas também poderão se comunicar com as pessoas e com outros dispositivos (TAN, WANG; 2010, pg 45). E estas comunicações na grande maioria são feitas através de RSF, por ser compostas de uma arquitetura mais simplificada.

31

3.4 AGRICULTURA E AS REDES SEM FIO

Desa (2017) diz que a população mundial irá atingir no ano de 2050 quase 10 bilhões de pessoas. Nesse cenário a produção de alimentos para todos será um grande desafio. Em momentos assim o uso de práticas sustentáveis e o aumento da produtividade surgem como alternativas para assim reduzir os custos de consumo de água e energia (DESA; 2017). Entende-se então que para enfrentar esse desafio, ressalta-se a relevância de pesquisas para o desenvolvimento de tecnologias que auxilie na produção agrícola.

Existe um grande potencial em aplicações de RSSF na área da agricultura (MOHOPATRA, LENKA; 2016). Alguns autores apontam que existem poucos trabalhos abordando esse tema, refletindo dessa forma a necessidade de futuros trabalhos com essa temática. Por final eles ainda sugerem pesquisas na área de monitoramento da vitalidade das plantações utilizando serviços móveis e redes de sensores.

3.5 REDE LORA

LoRa é uma tecnologia de propriedade da Semtech, de espalhamento espectral derivado da modulação CSS, otimizada para aplicações de longo alcance, baixo consumo de energia e baixa taxa de transmissão (SANT’ANA; 2017). Utilizando essa tecnologia, pode-se trocar a taxa de transmissão, por sensibilidade nos receptores, utilizando a mesma largura de banda do canal.

Ray (2018), define o LoRa como “[...] trata-se de um esquema de modulação de rádio - uma maneira de manipular uma onda de rádio para codificar informações usando um formato de multi-símbolos [...]”. Basicamente se refere aos sistemas que suportam a modulação, incluindo chips e gateways LoRa. Já na abordagem de Ortiz (2018), LoRa define a camada física de RSF, que procura atender aos requisitos de baixo consumo de energia dos objetos inteligentes, e é utilizada para implementar o protocolo LoRaWAN.

32

3.5.1 Histórico da rede LoRa

O LoRa promovida pela LoRa Alliance, essa é uma organização surgida em junho de 2016 é sem fins lucrativos, onde fazem parte mais de 200 empresas as quais possuem algum interesse no desenvolvimento e na aplicação da rede LoRa na Internet das Coisas (IoT). O Quadro 2 lista esses benefícios.

Quadro 2– Lista de benefícios dos membros da LoRa Alliance conforme utilização

Direito dos Membros

Patrocínio Contribuinte Filiados Público ($50k) ($20K) ($3k) (Grátis)

Direito de requisitar assento no Conselho de Direção

x

Direito de requisitar assento no Conselho de Direção

x

Direito de acessar dados operacionais da Aliança

x

Direito de iniciar, participar em votar em Comitês

x

Direito de iniciar, participar em votar em Trabalhos de grupo

x

x

Direito de contribuir para rascunhos de produtos e acessar entregáveis finais

x

x

Direito de participar em artigos e entrevistas de imprensa

x

x

Direito de possuir produtos compatíveis certificados

x

x

x

Direito de utilizar da Aliança e/ou Logo em produtos certificados

x

x

x

Direito de acessar website "restrito a membros"

x

x

x

Direito de participar em reuniões gerais ou anuais

x

x

x

Direito de receber comunicados da Aliança

x

x

x

Acesso aos produtos finais

x

x

x

Acesso aos produtos lançados

x

x

x

x

Fonte: LoRa Alliance, (2017)

Essa aliança foi criada a partir da iniciativa líderes industriais do mercado da tecnologia, com destaque nas áreas de tecnologia da informação, automação

33

industrial, telecomunicações, etc. (MAZIERO; et Al., 2018). Tal associação tem como missão padronizar as redes LPWAN, incorporadas comunicação de grandes áreas para implantar as tecnologias IoT e M2M, seja em aplicações industriais, cidades inteligentes e etc. e em todos os países (LORA ALLIENCE; 2017).

Segundo Teixeira et al (2017), desde o seu surgimento a LoRa Alliance vem aumentando cada vez mais o seu número de membros. Qualquer pessoa/empresa para participar da aliança, no Quadro 2 é possível observar os valores cobrados para a inserção nesse grupo, que variam conforme o grau de participação/benefícios. No presente trabalho a utilização da rede LoRa é de caráter público, de modo a ter acesso aos produtos lançados, porém de uso gratuito.

3.5.2 - Características da rede LoRa

A rede LoRa é um tipo de modulação do sinal que é derivado do espalhamento espectral CSS (VANGELISTA et al.; 2015). Nesta modalidade de comunicação podese utilizar vários protocolos, e a LoRa Alliance inicializou e definiu o protocolo LoRaWAN como padrão da rede LoRa. Esse protocolo é de caráter aberto, e rege a rede LoRa oferecendo segurança, call-backs, qualidade de serviço.

O LoRa é o tipo de camada física, camada mais baixa do modelo OSI, e segundo Forouzan (2007, pg. 1134), esta camada é responsável por fazer a interação entre os componentes da rede através do respectivo meio de transmissão, assegurado conectividade e transferência de dados entre os nós da rede.

Em Augusto e Barone (1985) descreve essa camada como, A camada física tem por objetivo a transmissão e a recepção de bits entre pontos de acesso a serviço. Em realidade essa camada fornece a capacidade de transmitir e receber sinais modulados relativos a certos canais de frequência (banda larga) ou um só canal de frequência (banda básica) [...]

Nessa camada, define características funcionais, elétricas, mecânicas e procedimentais para ativar e desativar conexões físicas para transmissão de bits (TANENBAUM; 2003, pg. 90). Compreende-se que a função intrínseca dessa camada é a conversão de um sinal eletromagnético adquirido para números binários (0 e 1) e vise versa.

Cada tecnologia de transmissão sem fio possui suas características bem definidas, que variam conforme a aplicação. Entre elas está a frequência de operação,

34

característica que dita a forma como os dispositivos se comunicam. Esse parâmetro também interfere na capacidade de transferência de dados estão dispostos os intervalos de frequências de algumas tecnologias, bem como a faixa onde a rede LoRa se enquadra.

Figura 3 - Espectro de frequência e comprimento de onda de diferentes tipos

de ondas de comunicação

Fonte: Adaptado de DORNAN, (2001)

Observando a Figura 3 é possível notar, que onde se encontra a rede LoRa especificamente estão presentes faixas de 102 Mhz à 106 Mhz. São frequências relativamente baixas se levarmos em consideração Wi-Fi e redes de telefonia móvel que trabalham em faixas de Ghz. Mas essa característica ressalta o ponto que, frequências muito altas tem dificuldade para penetrar em objetos e menor alcance devido ao comprimento de onda reduzido, e como o objetivo da rede LoRa é a cobertura de grandes áreas que consequentemente contém inúmeros obstáculos, trabalhar com baixas frequências é o mais apropriado pela maior facilidade de transpor obstáculos e um maior alcance.

O LoRa utiliza sub-bandas de rádio na faixa de frequência não licenciada ISM (Industrial, Scientific and Medical) na ordem dos Mhz onde com valores de 868 Mhz na União Europeia, e 915 Mhz nos Estados Unidos da América (CENTENARO et al.; 2016, BOR et al.; 2016). As ISM, segundo Teixeira et al. (2017), “[...] são bandas ou faixas de frequências não licenciadas, reservadas internacionalmente para fins industriais, científicos e médicos [...]”.

35

No Brasil de acordo com a Agência Nacional de Telecomunicaçþes ANATEL, as faixas de frequências regulamentadas para ISM estå no intervalo de espectro de 902 Mhz a 928 Mhz. No Brasil a rede LoRa opera na frequência de 915 Mhz. De uma maneira geral para que ocorra uma comunicação em radiofrequência seja ela ISM ou em todas a outras faixas utilizadas por outras tecnologias, os dados a serem transmitidos precisam ser modulados pelo transmissor e modulados pelo receptor, onde envolve a utilização de filtros e criptografias, conforme cada canal de utilização (TEIXEIRA et al.; 2017).

3.5.3 Modulação LoRa

Como mencionado anteriormente, a modulação utilizada pela rede LoRa Ê derivada da tecnologia CSS, que Ê compreendido como modulação de espectro espalhado. Essa tecnologia de codificação para sinais digitais, realiza a espalhamento do sinal a ser transmitido no espectro da frequência, gerando um sinal de portadora de chirp, onde a frequência varia linearmente com o tempo (SEMTECH; 2015).

Braga (2017), descreve que na modulação utilizada pelo LoRa, os dados são tratados de modo a se obter maior sensibilidade dentro de uma largura de faixa, e se implementa uma velocidade variåvel dos dados, por meio de fatores ortogonais de espalhamento. Desse modo os projetistas podem trabalhar com alcance ou potência, otimizando assim a operação da rede em uma largura constante de faixa.

Um teorema muito importante a se considerar quando se trata de espalhamento espectral Ê o de Shannon Hartely. Este indica a capacidade måxima de taxa de dados que pode ser transmitida em determinadas largura de banda na presença de ruídos (SEMTECH; 2015). Essa capacidade pode ser expressa atravÊs da fórmula:

đ??ś = đ??ľ ∗ đ?‘™đ?‘œđ?‘”

2

(1 +

đ?‘† đ?‘

)

(2)

onde, C ĂŠ a capacidade de canal (bits/s); B a largura de banda em (Hz); S a potĂŞncia mĂŠdia do sinal recebido (Watts); N a potĂŞncia mĂŠdia de ruĂ­do ou interferĂŞncia (Watts), s/n a taxa de sinal/ruĂ­do (SNR).

Manipulando essa equação para logaritmo na base natural, obtÊm se:

36

đ??ś

�

= 1,433 ∗ (đ?‘ )

đ?‘

(3)

Em aplicaçþes de espalhamento espectral, sabe-se que a relação sinal/ruĂ­do ĂŠ muito baixa, uma vez que o sinal de potĂŞncia estĂĄ frequentemente abaixo do esperado, dessa forma assumindo que S/N ĂŠ muito menor que um, tem-se: đ??ś

≈

đ?‘

đ?‘† đ?‘

(4)

ou, đ?‘ đ?‘†

đ??ľ

≈đ??ś

(5)

Onde, a partir da equação anterior Ê possível observar que para um sinal onde a relação sinal/ruído Ê fixa, apenas a largura de banda precisa ser alterada (SEMTECH; 2015).

Existem inúmeras tÊcnicas de espelhamento espectral, dentre estas a utilizada pela rede LoRa Ê a sequência direta (Direct Sequence Spread Spectrum - DSSS) (YURI, 2017). Nesta modalidade, a fase transportadora do transmissor muda de acordo com uma sequência de código. Essa operação Ê realizada multiplicando o sinal de dados desejado por um código de espalhamento, conhecido como uma sequência de quebra (chirp). Segundo Teixeira (2017), a sequência de quebra ocorre em uma frequência muito mais alta do que o sinal de dados e, assim, espalha a largura de banda do sinal para alÊm da largura de banda ocupada pelo sinal originalmente.

Semtech (2015), completa dizendo que o termo quebra Ê utilizado para distinguir os bits codificados mais curtos dos bits não codificados mais longos do sinal de informação. A Figura 4 demonstra processo modulação por espalhamento, realizado pelo transmissor:

37

Figura 4 - Processo de modulação do sinal LoRa

Fonte: Semtech, (2015).

No receptor, o sinal enviado/recebido é multiplicado novamente pela mesma sequência de código que anteriormente ele havia multiplicado na modulação, levando esse sinal novamente a largura de banda original. A Figura 5, demonstra esse processo de demodulação do sinal: Figura 5 - Processo de demodulação do sinal LoRa

Fonte: Semtech. (2015)

Semtech (2018) descreve que na técnica DSSS, a gama de espalhamento espectral depende da quebra por bit, que é a sequência de quebras para uma dada

38

taxa de dados desejada. Esse processo Ê denominado ganho de processamento (GP) quantificada em dBi. A equação a seguir define o ganho de processamento:

đ??şđ?‘? = 10 ∗ đ?‘™đ?‘œđ?‘”

đ?‘…đ?‘?

10 (đ?‘…đ?‘? )

(6)

onde, Rc ĂŠ a taxa de chips (Chips/segundo) e Rb ĂŠ a taxa de transmissĂŁo de bits (bits/segundo).

Atualmente os circuitos integrados produzidos pela Semtech estĂŁo sendo projetados para operar nas frequĂŞncias de 169 Mhz, 433 Mhz, e 915 Mhz no Estados Unidos e 869 Mhz na Europa (VANGELISTA et al; 2015).

O manual da Semtech (2015) sobre a modulação LoRa cita alguns fatores chave de sua modulação: � Largura de banda escalåvel - A modulação LoRa Ê escalåvel em largura de banda e frequência, sendo possível assim utiliza-lå em aplicaçþes de espectro de difusão de frequência variåvel (frequency hopping) de banda estreita e sequência direta de banda larga com apenas alguns ajustes de configuração nos dispositivos. � Encapsulamento e consumo de energia constante - Os mesmos estågios de amplificação de potência de baixo consumo e alta eficiência podem ser reutilizados sem modificaçþes. E ainda devido ao ganho de processamento associado ao Lora, a potência de saída do transmissor pode ser reduzida quando comparado ao FSK. � Alta robustez - A selectividade de saída de canal (out-of-channel) de 90 dBi e rejeição co-canal melhor que 20 dBi podem ser conseguidas, comparado a 50 dBi e -6 dBi, respectivamente obtidos com o FSK. Isto Ê obtido devido ao alto produto largura de banda e tempo (>1) e a natureza assíncrona do sinal LoRa. � Resistência a multipercurso e desvanecimento - Modelo se modulação ideal para o uso urbano e suburbano devido a característica banda larga do pulso LoRa, tornando-se assim imune a multipercurso e desvanecimento. � Resistência ao efeito Doppler - O efeito Doppler causa um pequeno desvio de frequência no pulso LoRa que introduz um desvio desprezível no eixo do tempo do sinal de banda base. O que mitiga o requisito de fontes de clock com alta precisão.

39

� Capacidade de longo alcance - Com potência de saída e vazão fixas, o cålculo de enlace excede o do FSK. Se levado em consideração com mecanismos de robustez a desvanecimento e interferência, o que pode ser compreendido em uma melhoria no alcance de quatro vezes ou mais. � Capacidade de rede melhorada - A modulação LoRa aplica fatores de espalhamento ortogonais que permite múltiplos sinais espalhados serem transmitidos ao mesmo tempo e no mesmo canal com uma mínima degradação da sensibilidade do receptor. O que faz com que os sinais com fatores de espalhamento diferentes apareçam como ruído no receptor alvo e podem ser tratados como tal.

A modulação LoRa pode ser especificada por três parâmetros: a largura de banda (BW), geralmente 125 kHz ou 250 kHz ou atÊ mesmo 500 kHz, o fator de espalhamento (FP) que vai de 7 a 12, e o parâmetro CR, que vai de 0 a 4 e determina a taxa do código corretor de erro. Assim a taxa efetiva de dados de carga útil Ê obtido por:

đ?‘…đ?‘? = đ??šđ?‘ƒ

đ??śđ?‘œđ?‘‘đ?‘–đ?‘”đ?‘œ

[đ??ľđ?‘†]

(7)

2 đ??šđ?‘ƒ đ??ľđ?‘Š

Considerando as definiçþes iniciais de cada pacote que permite a sincronização de frequência e tempo no receptor, as taxas de transmissão variam de 0.3 kb/s atÊ 11 kb/s, com largura de banda de 250 kHz, levando em conta um único canal (VANGELISTA et al; 2015). Contudo esse valor pode não ser real, uma vez que, os gateways LoRa são capazes de realizar um processamento paralelo para cada fator de espalhamento, podendo assim aumentar essa taxa.

3.6 PROTOCOLO LORAWAM O LoRaWAN Ê o protocolo que define a arquitetura do sistema e parâmetros de comunicação e de acesso ao meio MAC (Medium Access Control) que utiliza a camada física LoRa (COUTO et al., 2018; ORTIZ, 2018). É importante compreender que o esse protocolo Ê o padrão mantido pela LoRa Alliance para definição das

40

configurações da camada física LoRa. Mas o LoRa não necessariamente precisa do LoRaWAN para operar, podem ser utilizados outros protocolos, ou simplesmente a comunicação LoRa direta.

Quando utilizado o LoRaWAN é responsável por gerenciar as frequências de comunicação, definir as taxas de transmissão de dados, oferecer suporte à comunicação bidirecional, bem como a localização dos nós da rede (MAZEIRO, et al., 2018, ORTIZ, 2018). É de caráter desse protocolo também gerenciar a energia para todos os dispositivos de forma individual. Vale destacar também que a especificação do protocolo LoRaWAN é mantida aberta e divulgada ao público desde 2015. Observe na Figura 6 a arquitetura LoRaWAN. Figura 6 – Disposição de camadas do LoRaWAN

Fonte: LoRa Alliance, (2018)

A rede LoRaWAN é composta por três tipos de dispositivos. O primeiro são os dispositivos terminais, que são objetos inteligentes, geralmente com restrições energéticas e consequentemente de processamento. O segundo são os dispositivos gateways, estes já não possuem tantas restrições de energia e nem de processamento, e servem como ponte de ligação entre a rede LoRaWAN à outras redes. O terceiro tipo são os dispositivos do tipo servidores, que recebem analisam as informações provenientes dos dispositivos terminais, e em alguns casos, controlam esses dispositivos terminais (COUTO, et al.; 2018). A Figura 7 exemplifica uma topologia LoRaWAN.

41

Figura 7 – Exemplo de topologia para uma rede LoRaWAN

Fonte: ORTIZ, (2018)

3.6.1 Classes de dispositivos

Um dispositivo terminal/periférico pode ser formado sensores, ou placa de aquisição de dados e um modem para a comunicação via rádio. Existem inúmeros tipos de dispositivos terminais disponíveis no mercado, com características que variam principalmente em relação ao consumo de energia, alcance, taxa de dados, protocolos de comunicação e etc.

Essa gama de opções advém das diversas aplicações em que estes dispositivos podem ser utilizados, sendo que para cada aplicabilidade, esse tem que atender a requisitos bem específicos. No intuito de atingir diferentes tipos de serviços, a rede LoRaWAN em sua arquitetura define três classes de dispositivos terminais, que são, classe A, classe B e classe C (COUTO et al.; 2018, CENTERANO et al.; 2016).

A

classificação

desses

dispositivos

leva

em

consideração

principalmente

características como o consumo de energia e a taxa de envio de dados do servidor para os dispositivos periféricos (downlink), conforme se pode analisar na Figura 8.

42

Figura 8 – Gráfico de comparação das classes de dispositivos pelo consumo de bateria e

latência de comunicação de downlink na rede

Fonte: LoRa Alliance, 2019

●

Classe A: Dispositivos classe é composta por dispositivos econômicos no quesito consumo de energia, e que só abrem janelas de recepção após realizar seus envios. Em outras palavras, são dispositivos que permitem comunicações bidirecionais, de maneira que a transmissão uplink de cada dispositivo final é seguida por duas janelas curtas de recepção downlink. A comunicação com o gateway, por ser iniciado por uma necessidade, ou agendadas para acontecerem periodicamente. Esta também suporta todos os dispositivos LoRa. Um exemplo de comunicação de um dispositivo classe A pode ser vista na Figura 9.

Figura 9 – Janelas de recepção do dispositivo LoRaWAN classe A

Fonte: LoRa Alliance, (2019)

43

●

Classe B: Os dispositivos classe B possuem características semelhantes aos dos dispositivos classe A. Permitem a comunicação bidirecional, com adicional de possuírem uma janela de transmissão extra. Essa janela extra é configurada através de mensagens de beacon emitidas pelos gateways, de modo que ao receber um beacon, o dispositivo abre a janela extra, chamada de ping-slot. A principal ideia dessa classe é ter o dispositivo disponível para uma recepção em um instante previsível. Porém essa característica extra desses dispositivos, implica em maior consumo de energia com relação aos classe A. Um exemplo de comunicação de um dispositivo classe B pode ser vista na Figura 10.

Figura 10 – Janelas de recepção do dispositivo LoRaWAN classe B

Fonte: LoRa Alliance, (2019).

●

Classe C: Nesta estão os dispositivos que mantêm as janelas de recepção abertas quase que o tempo todo, fechadas apenas durante a transmissão. E na grande maioria não tem restrições energéticas. Um exemplo de comunicação de um dispositivo classe B pode ser vista na Figura 11.

Figura 11 – Janelas de recepção do dispositivo LoRaWAN classe C

Fonte: LoRa Alliance, (2019).

Como já mencionado, à abertura de janelas de comunicação significa um consumo de energia, assim a operação no modo classe A por exemplo, pode servir a dispositivos que sejam sensores, cujo o tráfego seja na grande maioria a o envio dessas informações captadas, para o gateway. Já no modo classe B, serão

44

dispositivos que sejam sensores e atuadores, onde exija um grau maior de comunicação e exerça alguma ação no ambiente quando necessário, através dos atuadores. E no modo de operação classe C, serve para sensores e atuadores em um aspecto mais real-time, recebem e enviam dados na maior parte do tempo, podendo assim agir quase que instantaneamente, sem agendamento de janelas de comunicação.

3.6.2 Formato das Mensagens LoRa e LoRaWAN

Em comunicações em rede, sistemas finais trocam mensagens entre si, e nessas mensagens podem conter qualquer coisa que o projetista do protocolo desejar (KUROSE, ROSS; 2008 pág. 16). Essas mensagens podem desempenhar funções de controle, transportar dados (ex: status de um dispositivo, e-mails arquivos de música e vídeos e entre outros). Para enviar uma mensagem de um sistema (origem) para um outro sistema (destino), o originador em seu protocolo, fragmenta as mensagens longas em pequenas mensagens, ou seja, em porções de dados menores, denominados pacotes (KUROSE, ROSS; 2008 pág. 16). E nessa preparação para envio também, que são inseridas informações como destino do fragmento, bits de checagem de erros, bem como a implementação de medidas de segurança.

3.6.2.1 Mensagens da camada física O protocolo da camada LoRa é o PHY, este define dois formatos de mensagens LoRa.

As uplink, que são mensagens enviadas pelos nós da rede para um

Servidor/Destino, chaveadas por um ou mais gateways. Essas mensagens utilizam um cabeçalho de camada física do LoRa (PHDR) mais um CRC desse cabeçalho (PHDR_CRC). E outro CRC que protege o payload. Todos os campos são inseridos pelo transceiver. Observe essa estrutura na Figura 12.

Figura 12 – Estrutura do uplink de camada física

Fonte: LoRa Alliance, (2019).

45

O segundo formato são as mensagens downlink, estas são enviadas pelo Servidor para somente um nó e chaveada por um único gateway. Estas mensagens utilizam também utilizam um cabeçalho de camada física do LoRa (PHDR) mais um CRC deste cabeçalho (PDHR_CRC). Observe essa estrutura na Figura 13.

Figura 13 – Estrutura do downlink de camada física

Fonte: LoRa Alliance, (2019).

Em uma transmissão uplink, o dispositivo abre duas pequenas janelas de recepção chamadas RX1 e RX2. Os temporizadores possuem períodos configurados para início da janela de recepção, que se inicia no final da transmissão o último bit de uplink. Essas janelas ainda podem receber configurações de canal diferentes entre si, com frequência central e espalhamento espectral.

3.6.2.2 Mensagens de camada de enlace O formato de mensagens de LoRaWAN, é mostrado na Figura 14. No cabeçalho do quadro o DevAddr indica o endereço do end-device, os campos FCtrl, FCnt, e FOpts são campos de controle de quadro, contador de quadros e opções do quadro para o MAC, respectivamente. Já na Carga útil do MAC, aparecem o Fport, que contém todas as informações do quadro, e o FRMPayoload

que contém

informações relativas a criptografia para calcular e verificar a integridade das mensagens, e a carga útil das mensagens (SANT’ANA; 2017). Depois, na carga útil da camada física estão o MHDR, que contém o cabeçalho MAC, o MACPayload que concentra todas as informações da carga útil da carga útil MAC, e o MIC, que é um código de integridade da mensagem, que concentra o MHDR, e o MACPayload.

O protocolo LoRaWAN adiciona pelo menos 13 bytes no cabeçalho. Ele também define o ciclo de trabalho que (duty cycle) para os dispositivos, que é específico de cada região (915 Mhz Brasil como já mencionado), que é específico de cada região.

46

Figura 14 – Formato das mensagens do LoRaWAN

Fonte: Sant’Ana , (2017)

3.7 - PARÂMETROS DE CONFIGURAÇÃO DO LORA Assim como já descrito o LoRa utiliza modulação CSS, para que dispositivos finais de comuniquem com os gateways. O consumo de energia, faixa de transmissão e a resistência a interferências a ruídos podem ser configurados a partir quatro parâmetros de configuração da camada física do LoRa: a frequência da portadora, que define a frequência central para a banda de transmissão, a largura de banda, que define o tamanho das faixas de frequências utilizadas, a taxa de código (Code Rate CR), que define a taxa de FEC e o fator de espalhamento (Spreading Factor - SF), que define a espalhamento espectral (BOR; 2015, SANT’ANA; 2017).

3.7.1 - Frequência da portadora A Tabela 1 especifica a distribuição ISM US e EU, de bandas, sub-bandas, canais, divisão de sub-bandas e canal de uplink e downlink para algumas faixas de frequência utilizadas pelo LoRa. Para o Brasil o plano de frequências ISM está na faixa de 902-915 Mhz, observa-se que tem canais dedicados para para Tx e Rx, diferentemente da distribuição de frequências EU, que tem canais bidirecionais para estes.

A frequência da portadora é definida de acorda com a região de operação do equipamento, esse parâmetro não é, em geral, ajustável de acordo com a aplicação.

47

Diferente da largura de banda, que por sua vez, possui três largura programåveis: 125 kHz, 250 kHz e 500 kHz nas especificaçþes gerais LoRa. A largura com maior capacidade de transmissão de dados Ê a de 500 kHz (SANT’ANA; 2017). Neste presente trabalho, a largura de banda considerada foi a de 125 kHz, por não se ter a necessidade de uma grande capacidade de transmissão de dados.

Tabela 1 – Distribuição de canais para as faixas de frequência ISM US 868 Mhz e EU 915 Mhz

RegiĂŁo

Faixa Freq.

(MHz)

Canais

Sub-banda (MHz) 867,1-868,8 (SF7-SF12) 868,3

US

867-870

10

869,525 (SF9, RX2) 902,3-914,9 903,0-914,2 EU

902-928

8

(SF7-SF12) 904,6 (SF8)

8

Canal

Canal

Sub-banda

TX

RX

(kHz)

(kHz)

(kHz)

200

125

125

---

250

250

---

---

---

---

---

125

200

125

---

1600

125

---

---

500

---

600

---

500

868,8 (FSK) 50 đ?‘˜đ?‘?đ?‘–đ?‘Ąâ „đ?‘

64

DivisĂŁo

923,3-927,5 (FS7-SF12)

Fonte: Sant’ana, (2017)

3.7.2 - Taxa de código A taxa de código (CR) Ê relacionada com a tÊcnica de FEC. A taxa define quantos bits são utilizados para dados de redundância na mensagem, a fim de realizar a recuperação de erros (SANT’ANA; 2017). Assim como mencionado na sessão da Modulação LoRa, são definidos quatro valores de CR para serem implementados, as 4 4 4 4

saber: 5, 6, 7, 8. Um CR maior oferece uma proteção maior, porÊm, incrementa o tempo ao ar (ar time on air). O CR define a taxa de codificação Tc como:

48

4

đ?‘‡đ?‘? = 4 + đ??śđ?‘…, com CR Đ„ {1,2,3,4}.

(8)

3.7.3 - Fator de espalhamento

As especificaçþes LoRa define valores diferente para o parâmetro de fator de espalhamento, são eles SF7, SF8, SF9, SF10, SF11 e SF12 (SEMTECH; 2015). Na tÊcnica de espelhamento utilizado pelo LoRa, grandes sequências de bits são codificados em um único símbolo, reduzindo assim o SNR e interferências de outras fontes na transmissão de dados (SANT’ANA; 2017). Um maior SF, aumenta-se a SNR, a sensibilidade e o alcance, ou seja, o aumento da energia por bit torna maior o alcance entre transmissor e receptor, dependendo diretamente da potência de transmissão e taxa de modulação. A potência de transmissão Ê limitada pelas normas de relação para bandas das frequências não licenciadas, jå a taxa de modulação Ê definida pelo SF. TambÊm Ê definida uma taxa de transmissão Rb teórica, que Ê definida em função do fator de espalhamento como:

đ?‘…đ?‘? = đ?‘†đ??š Ă—

đ?‘‡đ?‘? Ă— đ??ľđ?‘Š 2đ?‘†đ??š

, com SF Đ„ {7, 8, 9, 10, 11, 12).

(9)

Dor (2015), descreve que o tempo requerido para enviar um símbolo LoRa, Ê influenciado pelo tipo de modulação, e o fator de espalhamento, em função da largura de banda do canal, formulado como:

đ?‘‡đ?‘ đ?‘Śđ?‘š =

2đ?‘†đ??š đ??ľđ?‘Š

, com BW Đ„ {125 kHz, 250 Khz, 500kHz}.

(10)

Atendendo a proposta de utilização em na agricultura, cenårio que apresenta grandes distâncias, foi optado pela utilização do SF12, por proporcionar um maior alcance. Em seu estudo Petäjäjärvi et al. (2017), constatou atravÊs de experimentos os tempos requeridos para enviar um símbolo LoRa com SF diferentes, com frequência central de 915 Mhz e BW de 125 kHz. Onde como pode ser observado na Figura 15 o SF12 apresentou o maior tempo para transmissão de um símbolo, característica relevante para no cenårio de monitoramento agrícola devido ao fato de não se ter a necessidade de um fluxo constante de dados.

49

Figura 15 – Comparação do tempo de transmissão de um símbolo LoRa com diferentes

fatores de espalhamento

Fonte: Petäjäjärvi et al.,(2017)

3.7.4 - Formato da carga útil no LoRa O formato de mensagens Lora é uma especificação implementada pela Semtech, para todos os dispositivos que fazem parte da rede. Observe na Figura 16 o formato de um quadro LoRa PHY. Sant’na (2017), menciona que o preâmbulo indica o esquema de modulação dos pacotes, estabelecendo um mesmo fator de espalhamento para cada pacote enviado, os cabeçalhos PHY e PHY_CRC indicam a taxa de código para executar o FEC a ser implementada na mensagem. Então a carga útil PHY será a concatenação das informações das informações contidas na camada MAC, e no cabeçalho do quadro, completando assim o formato da carga útil na camada física PHY. Os tamanhos dos campos estão indicados entre colchetes na parte inferior das camadas, em Bytes.

50

Figura 16 – Formato das mensagens LoRa PHY

Fonte: Sant’ana, (2017)

3.8 - PROTOCOLO MQTT

O protocolo MQTT (Message Queuing Telemetry Transport) é um protocolo leve de publicação e subescrição de mensagens, utilizado fundamentalmente em Internet das Coisas (DO BIT AO BYTE; 2019). Vicenzi (2016), descreve que o MQTT é o protocolo ideal para o gerenciamento e dispositivos de baixo poder de processamento.

O MQTT foi desenvolvido pela IBM e Eurotech, é projetado para enviar dados através de redes com baixa banda de dados ou intermitentes, para isso o protocolo é desenvolvido em com base me conceitos que garantem uma alta taxa de entrega de mensagens (VICENZI; 2016).

Esse protocolo é baseado no TCP-IP, onde cliente e broker necessitam da pilha TCP/IP para o seu funcionamento (YUAN; 2017). O MQTT ocupa a mesma camada OSI que o HTTP, mas tendo como principal diferença entre os dois o tamanho do payload, no HTTP o payload é maior, o que inviabiliza a sua utilização em conexões de baixa qualidade, como as GSM. O MQTT utiliza o modelo publish/subscribe (pub/sub) para as trocas de mensagens. No qual Vicenzi (2016), que o pub/sub implementa um middleware chamado broker, onde o broker é responsável por receber, enfileiras e disparar as mensagens as mensagens recebidas dos publishers para os subscribers. O publisher é responsável por se conectar ao broker e publicar a mensagens, e o subscriber é responsável por se conectar ao broker e receber as mensagens que a ele tiver interesse.

Como uma das propostas deste estudo é a composição do protótipo de um sistema de monitoramento de umidade do solo, para este o protocolo MQTT será utilizado para publicação das mensagens que contêm os valores da umidade, em um broker MQTT.

51

3.9 - OUTRAS TECNOLOGIAS LPWAN Existem outras tecnologias voltadas para IoT que desempenham funções semelhantes às da rede LoRa no mercado atualmente. Através de um breve levantamento, e segundo Teixeira (2017) tecnologias como DASH7, Weightless e SigFox são redes de longo alcance e baixo consumo energético que são empregadas atualmente em aplicações em ambiente agrícola.

3.9.1 DASH7 Em um estudo realizado por Augustin (2016), e descreve que a DASH7 possui características semelhantes às da LoRa, como controle de acesso ao meio (MAC), banda de frequência utilizada, imunidade ao efeito doppler. Essa tecnologia surgiu com proposta de conectar coisas que me movem, como carros e ônibus, oferecem precisão interna de até 1 metro, baseado em RSSI (HAYSTACK; 2019). Mas difere do LoRa em poder definir até 7 (sete) das camadas da pilha OSI, no qual o LoRa só especifica 2 (duas) e possui alcance inferior à 3 km, sendo menor que o obtido pela LoRa.

3.9.2 Sigfox

O Sigfox é uma tecnologia desenvolvida por uma empresa francesa de informações reservadas que utiliza a técnica Ultra Narrow Band para a transmissão dos dados (NOVIDA; 2019). Semelhante ao LoRa, essa tecnologia opera com frequências não licenciadas ISM (902 Mhz no Brasil), de topologia estrela, baixo consumo de energia, e alcance de até 10 km em perímetro urbano e 50 km em áreas rurais (TEIXEIRA; 2017). Mas diferente do LoRa a troca de mensagens é ilimitada e sem custo, com o Sigfox oferece pacotes de assinatura anual que o envio de duas mensagens por dia por cada dispositivo custa meio dólar (U$$0,50), e seus dispositivos só trabalham com sensores desenvolvidos especialmente para a tecnologia. Por operar com banda Ultranarrow de largura de banda inferior a 1 kHz, o tamanho máximo de um pacote transportado pela rede é de 12 bytes, muito inferior aos 256 bytes transmitidos pelo LoRa (NOVIDA; 2019).

52

3.9.3 Weightless O Weightless é uma tecnologia do grupo SIG (Weightless Special Interest Group) dotada de três padrões aberto. Segundo Weightless (2019), o padrão Weightless-W

oferece

vários tipos de modulação, tamanhos de pacotes,

comunicações bidirecionais com taxas de 1 kbps a 10 Mbps. As comunicações entre os nós podem ser estabelecidas com até 5 km um do outro.

O padrão N utiliza uma classe de tecnologia de baixo custo, com características semelhantes ao Sigfox (TEIXEIRA; 2017). Na qual permite apenas comunicação unidirecional de até 100 bps, característica que faz com que esses dispositivos obtenham uma autonomia prolongada com suas devidas baterias. O alcance de comunicação desse padrão é semelhante ao Weightless-W. O último Weightless-P, é um padrão derivado do Plantanus da M2Communication Protocol , é direcionado para o setor industrial, não apresentando características relevantes para o presente trabalho.

Em um comparativo com o LoRa, essa rede difere no alto consumo de energia apresentado pelo padrão W, a taxa de dados do padrão N e o alcance máximo de 2 km do padrão P. Em contrapartida, o N apresenta um alcance semelhante ao do LoRa com baixo consumo de energia.

53

4 METODOLOGIA

Neste capítulo são apresentados os métodos, técnicas e procedimentos utilizados para a realização do desenvolvimento da monografia.

4.1 TIPOS DE PESQUISA QUANTO AOS OBJETIVOS

Para o desenvolvimento da presente pesquisa será aplicado uma abordagem de caráter exploratório e descritiva.

Segundo Gil (2008), as pesquisas exploratórias têm o objetivo de trazer maiores informações a respeito de tema estudado, com intuito de conhecê-lo melhor, o que permite a construção de hipóteses, bem como a o aprimoramento de ideias. O método utilizado para esta maior compressão foi o levantamento bibliográfico.

No caso da pesquisa descritiva como o próprio nome já diz está relacionada com fato do pesquisador demonstre todos os procedimentos científicos utilizados nas etapas da realização do projeto. Nesse âmbito também está incluso a caracterização do fenômeno ou população alvo.

4.2 TIPOS DE PESQUISA QUANTO À ABORDAGEM

O desenvolvimento do estudo em questão no quesito à abordagem de pesquisa apontará características do tipo quantitativa onde buscará apresentar informações estatísticas no que diz respeito do tema estudado, sem a utilização de descrição de objetos ou fatos e outros dados que tenham características qualitativas.

4.3 TIPOS DE PESQUISA QUANTO AOS PROCEDIMENTOS TÉCNICOS

Quanto aos procedimentos técnicos é necessário apontar o tipo de método a ser utilizado para o estudo, dentre os existentes à presente pesquisa tem caráter de estudo de caso. Isso se deve pelo fato que acontece uma pesquisa diretamente com o meio de foco do estudo. Acontece uma análise completa do fenômeno em questão.

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4.4 MATERIAIS E INSTRUMENTOS DE PESQUISA

Para o desenvolvimento do sistema proposto de monitoramento de umidade, foram utilizadas diversas ferramentas. Estas estão listadas no Quadro 3.

Quadro 3 – Ferramentas e tecnologias utilizadas

Ferramenta

Versão

Finalidade

Linguagem C

1.0.0

Linguagem de programação

Visual Studio Code

3.4.0

Ambiente de desenvolvimento

Espressif

2.1.0

Extensão de desenvolvimento para família ESP

Arduino IDE

1.8.9

Ambiente de desenvolvimento

Draw.io

1.0.0

Ferramenta de criação de diagramas

The Things Network

1.0.0

Broker MQTT

Eagle

2.3.0

Ambiente de modelagem de circuitos elétricos

Fonte: Autoria própria, (2018).

55

5 DESENVOLVIMENTO Essa seção descreve os procedimentos de composição do hardware e software utilizados para os testes do LoRa e protocolo LoRaWAN.

5.1 DESENVOLVIMENTO DO PROTÓTIPO

Baseado em dispositivos de processamento, sensores e conhecimento da arquitetura básica para projetos inteligentes, um protótipo que utiliza a rede à tecnologia LoRa como ferramenta na comunicação sem fio foi desenvolvido. O protótipo conta com duas unidades de comunicação LoRa, uma como dispositivo final e outra como gateway, com o intuito de realizar avaliações da tecnologia.

Essa avaliação será composta de duas partes: a primeira tem o intuito de testar a alcance da comunicação LoRa, posicionado dispositivos LoRa com distâncias variadas para troca de informações. A segunda, é a análise do desempenho da tecnologia quando utilizada como meio de comunicação SF (sem fio) de um sistema de monitoramento agrícola.

Uma observação importante, é que o protocolo LoRaWAN não é projetado para comunicação direta entre dispositivos finais, e sim entre dispositivo finais e os gateways. Considerando isso, os experimentos para teste de alcance da comunicação LoRa foram feitas apenas utilizando o seu protocolo de camada física PHY, sem atuação do protocolo LoRaWAN. Vale ressaltar que a não utilização do LoRaWAN não interfere no alcance da comunicação LoRa dos experimentos a seguir, uma vez que, ele define a camada de enlace, não alterando a camada física (modulação) LoRa. Na Figura 17 a seguir é possível visualizar a arquitetura do protótipo.

Figura 17 – Arquitetura do protótipo desenvolvido

(a)

Arquitetura da unidade transmissora

Fonte: Autoria própria, (2018)

(b) Arquitetura da unidade receptora

56

A arquitetura da unidade transmissora pode ser visualizada na Figura 17 - a. A unidade de monitoramento possui um controlador que gerencia as operações de sensoriamento e comunicação. O sensoriamento é feito pelo sensor de umidade do solo, e a comunicação é realizada através interface sem fio LoRa. A unidade receptora tem sua arquitetura exposta na Figura 17 - b. Esta unidade receptora é composta por um controlador e duas interfaces sem fio. A primeira interface sem fio á a LoRa que recebe as informações da unidade transmissora, e a segunda é a interface sem fio comum de internet doméstica.

5.1.1 Unidade Emissora Ressaltando a proposta do trabalho sobre a utilização da rede LoRa no cenário agrícola, foi necessário que o protótipo deve atende-se a requisitos impostos pelo ambiente. O requisito de baixo consumo de energia é um dos mais importantes, devido ao não existência de fontes constantes de energia elétrica, dessa forma a componente unidade transmissora do protótipo, deve se encaixar na classe A na classificação de dispositivos LoRa, que rege sobre a premissa de maior eficiência energética sendo alimentado a bateria.

Atualmente a Semtech disponibiliza uma família de chips LoRa, para atender a mais diversas necessidades, que variam em banda de operação, capacidade de processamento potência de transmissão e etc, entretanto esses chips são desenvolvidos para serem integrados a outros circuitos, sendo o chip LoRa responsável apenas pela comunicação sem fio.

O Quadro 4 fornece a especificação dos componentes da unidade transmissora implementada para os experimentos.

Quadro 4 – Componentes utilizados na unidade transmissora

Módulo

Equipamento

Fabricante

Controlador

Wi-Fi Lora 32

Heltec

Antena LoRa

Antena 2dBi

D-link

Sensor

Sensor de umidade do solo

Fintek

Fonte de energia

2 pinhas de 5000mAh cada

UltraFire

Regulador de tensão

Módulo regulador de tensão

Próprio autor

Fonte: Autoria própria, (2018)

57

Atendendo as normas nacionais de frequência de operação 915 Mhz e as configurações que melhor se adequem ao ambiente agrícola, o SF12 pelo maior alcance, e 125 kHz por não se ter a necessidade de um grande fluxo de dados. O circuito que integra o chip LoRa selecionado para o protótipo, foi o WiFi LoRa 32 montado pela Heltec, que nas especificações técnicas fornecidas pela empresa, informa que esse módulo opera na frequẽncia não licenciada de 915 MHz, frequência da portadora de 125 kHz e fator de espalhamento SF12.

O Wi-Fi LoRa 32, é uma placa de desenvolvimento que integra um SoC ESP32DOWDQ da Espressif, um chip W25Q32FV de memória flash serial (SPI/QPI) com aproximadamente 32 megabits (4 megabytes) de armazenamento, um chip SX1278 LoRa controlado pelo ESP32, e que na interface USB-Serial utiliza um CP2101 da Silicon Labs (KAIOCHIDA; 2018). Todos esses chips podem ser visualizados na Figura 18.

Figura 18 – Chips Wi-Fi LoRa 32

Fonte: Koyanagi, (2019)

Estão presentes, também, um controlador de carga de batería MCP73832/1, e um regulador AP2112-3.3 em um mínimo de 600mA. A referida placa conta com dois cristais, um de 32MHz para o SX1278 e outro de 26Mhz para o ESP32, além de um display OLED 0.96” controlado pelo ESP32. Todos esses componentes podem ser observados na Figura 19.

Figura 19 – Componentes Wi-Fi LoRa 32

Fonte: Koyanagi, (2019).

58

Devido a integração do chip LoRa, display e botões (PRG/RST) boa parte dos pinos do ESP32 acabam sendo ocupados. A Figura 20 apresenta o diagrama de pinos do Wi-Fi LoRa 32: Figura 20 – Diagrama de pinos Wi-Fi 32 LoRa

Fonte: Koyanagi, (2019).

O WiFi LoRa 32 possui um terminal de acoplamento de antena. O fabricante Heltec (2018), informa que a potência máxima de saída é de 18dBi. Seguindo a sugestão do fabricante e para futura comparação de resultados, uma antena de 2dBi foi acoplada ao módulo para estudo. É importante ressaltar que o módulo comporta antenas com ganhos maiores (dBi). A antena utilizada pode ser visualizada na Figura 21, possui 5 cm de comprimento e 0,5 cm de diâmetro.

Figura 21 – Antena 2 dBi

Fonte: Oferta Viva, (2018).

59

Para coletar o status de umidade do solo, foi conectado ao Wi-Fi LoRa 32 um Módulo Sensor de Umidade do Solo Higrômetro HI-69. Dividido em duas partes, é composto por um sensor que através de duas sondas realiza a medição da umidade por meio da auto-aferição da corrente entre as sondas, e por um circuito comparador LM393, no qual pode-se ajustar a sensibilidade (PONTO DA ELETRONICA; 2018). O circuito comparador disponibiliza duas saídas, uma digital D0 (0 ou 1) e outra analógica A0 (0V - 3,3V). O módulo pode ser visto na Figura 22: Figura 22 – Módulo Sensor de Umidade do Solo HI-69

Fonte: Flip Flop, (2019).

Como fonte de alimentação para a unidade transmissora, foram utilizadas duas Pilhas de 5000mAh cada ligadas em série disponibilizando 7,4V. A Figura 23 demonstra essas duas pilhas.

Figura 23 – Pilhas 5000mAh

Fonte: LightMalls, (2019).

60

O Heltec fabricante do Wi-Fi LoRa 32, informa em seu site que a voltagem de trabalho do módulo é entre 3.3V~7V. Mas na prática o módulo operou de forma instável quando alimentado com 3,3V, estabilizando com voltagem de 4,7V ou superior. Para isto foi desenvolvido um módulo regulador de tensão para fornecer 5V quando alimentado pelas duas pilhas descritas anteriormente.

O regulador de tensão L7805 é um componente de fácil aplicação nos mais variados circuitos, e regula a tensão de entrada, entre 7 e 25V, para uma tensão de saída de 5V como descrito em seu datasheet (SPARKFUN; 2003). Como a tensão fornecida pela as duas pilhas ligadas em série são de de 7,4V e que o este componente se adequa perfeitamente ao circuito. Para correção de eventuais oscilações da tensão que passa pelo circuito, dois capacitores foram integrados, bem como um Led para indicar que o circuito está alimentado. O Quadro 5 exibe os componentes utilizados no circuito regulador de tensão.

Quadro 5 – Componentes módulo regulador de tensão 5V

Componente

Quantidade

Regulador de tensão 7805

1

Capacitor cerâmico 104 (100nF)

1

Capacitor (100uF)

1

Plug Conector USB-a Fêmea

1

Plug Conector P4 Macho

1

Resistor 220ohm

1

Led 5mm Verde

1

Fonte: Autoria Própria, (2019).

O circuito foi desenhado utilizando a ferramenta EAGLE v2.3.0, uma ferramenta gratuita para utilização não comercial, promovida pela AutoDesk. Observe o circuito na Figura 24.

61

Figura 24 – Composição módulo regulador de tensão 5v

(a)

(b)

(c)

Fonte: Autoria própria, (2019).

Com tudo preparado, todos os equipamentos foram acoplados a uma caixa de plástico, que devido ao ambiente de utilização, após fechada oferece vedação para fatores ambientais como chuva e poeira. A Figura 25 exibe a unidade emissora devidamente montada.

Figura 25 – Unidade Emissora

Fonte: Autoria própria, (2019).

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5.1.2 Unidade Receptora A unidade receptora (Gateway) deve estar sempre apta a receber a informações enviadas pela unidade emissora (End-Device) e operar como ponte entre a rede LoRa e outras redes, no caso deste trabalho com a rede de Internet. Isso condiciona a ter uma fonte de energia constante, no ambiente agrícola, são nas sedes das fazendas que se tem energia disponibilizada dessa forma. Devido a essa premissa, a unidade receptora se encaixa na Classe C da classificação dos dispositivos LoRaWAN, disposta na Figura 8.

Uma das grandes vantagens da integração do chip LoRa ao ESP 32 é o fato de o ESP possuir embutido em seu chip as RSF 802.11 b/g/n (2,4Ghz). Isso faz com que o Wi-Fi LoRa 32 possa operar como um gateway LoRaWAN. O Quadro 6 fornece a especificações dos componentes da unidade receptora implementada para os experimentos.

Quadro 6 – Componentes utilizados na unidade transmissora

Módulo

Equipamento

Fabricante

Controlador

Wi-Fi Lora 32

Heltec

Antena LoRa

Antena 2dBi

D-link

Fonte de energia externa

Fonte de energia 5V

Green

Fonte de energia

2 pinhas de 5000mAh cada

UltraFire

Regulador de tensão

Módulo regulador de tensão

Próprio autor

Fonte: Autoria própria, (2019).

O controlador é do mesmo modelo que foi utilizado na composição unidade emissora um Wi-Fi LoRa 32, as descrições dos seus chips estão na sessão se desenvolvimento de módulo emissor, os chips que no ESP podem ser visualizados nas Figuras 18 e 19 da seção anterior. Como na unidade emissora, o ESP opera na frequência não licenciada de 915 MHz, frequência da portadora de 125 kHz e fator de espalhamento SF12.

A antena acoplada ao módulo também é 2 dBi. A escolha desta configuração é determinante em uma infraestrutura End-Divice/Gateway LoRa. Assim como já

63

mencionado, o gateway opera se restrições energéticas, isso possibilita a utilização de rádios LoRa mais potentes, e consequentemente antenas com ganhos (dB) maiores.

Por motivo de praticidade nos experimentos de alcance e que gateway operará momentaneamente como um como dispositivo final LoRa para os testes de alcance da comunicação, apenas recebendo os pacotes, foi integrado ao módulo receptor uma fonte de alimentação a pilha idêntica a utilizada pelo módulo transmissor. Mas essa integração não inviabiliza a utilização de uma fonte ligada rede de energia elétrica quando necessário.

A fonte composta por duas baterias de 5000mAh e módulo regulador de tensão 5V são idênticos aos utilizados na unidade emissora e podem ser visualizados nas Figuras 23 e 24 respectivamente. Todos os componentes foram acoplados a uma base metálica. A Figura 26 exibe a unidade receptora devidamente montada.

Figura 26 – Unidade Receptora

Fonte: Autoria própria, (2019).

64

5.1.3 Desenvolvimento dos Softwares Emissor/Receptor Os códigos utilizados na implementação do projeto foram implementados na linguagem de programação C. Para Schildt (1997, pg. 3) o C é uma linguagem de programação de finalidade geral, utilizada no desenvolvimento de diversos tipos de aplicações. Trata-se de uma linguagem estruturada, imperativa, procedural padronizada pela Organização Internacional para Padronização (ISO), criada por Dennis Ritchie em 1972 (SCHILDT; 1997, pg. 3 e 4).

5.1.3.1 Unidade Emissora Para os testes foram desenvolvidos dois softwares para unidade emissora. Um utiliza bibliotecas viabiliza a comunicação direta LoRa, e o outro utiliza bibliotecas que exerce o protocolo LoRaWAN sobre a camada física LoRa. O primeiro software tem a finalidade de testar alcance da comunicação LoRa entre o End-Device e ao Gateway. Esse código executado pelo End-Device, e faz com que controlador crie um pacote com uma mensagem “oi” concatenado com um número do pacote. Esse número tem a finalidade de quando recebido pelo Gateway se faço uma correlação entre o número do pacote recebido com a quantidade de pacotes já recebidos pelo Gateway.

Esse firmware utiliza três bibliotecas, a primeira delas, LoRa, fornece os recursos necessários para manipulação da comunicação do Wi-Fi LoRa, como inicialização, criação de pacotes e envio de pacotes e etc. A segunda SPI, é responsável pela comunicação serial entre os chips e periféricos. E a terceira SSD1306 é responsável pela exibição das informações no display, mas não necessariamente obrigatória.

65

Figura 27 – Fluxograma do software para teste de alcance LoRa LoRa da Unidade Transmissora

Fonte: Autoria própria, (2019).

A fim de auxiliar na compreensão, foi utilizada a representação por fluxograma (Figura 27) que ilustra de maneira simplificado o processo executado pelo algoritmo.

Na primeira etapa o código inicializa a comunicações seriais e o módulo Wi-Fi LoRa através do método LoRa.Begin(), em seguida cria um pacote e o envia através dos métodos LoRa.beginPacket() e LoRa.endPacket() respectivamente. Essa criação de envio do pacote está dentro de um laço que se repete a cada 30 segundos (meio minuto). Note que nessa modalidade de utilização do LoRa, ele não estabelece uma conexão

com

unidade

receptora,

simplesmente

realiza

um

Broadcast

(envia/transmite) do pacote montado com endereço do destinatário no cabeçalho.

O segundo software desenvolvido para a unidade emissora, foi para operação desta unidade no monitoramento de umidade do solo utilizando o protocolo LoRaWAN. O objetivo deste código e realizar periodicamente a leitura do sensor de umidade, inserir esses valores em um pacote, e transmitir através do Wi-Fi LoRa para a unidade receptora. Para a utilização do LoRaWAN foi utilizado o pacote de bibliotecas Arduino Lmic MCCI, que fornecem todos os métodos necessários para a utilização do protocolo.

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Figura 28 – Fluxograma do software para monitoramento de umidade do solo da Unidade Transmissora

Fonte: Autoria própria, (2019).

Para o segundo também foi criado um fluxograma que pode ser visualizado na Figura 28 para melhor compreensão do código. Como esse firmware será utilizado no sistema de umidade do solo desenvolvido para estudo, todas a informações obtidas pela unidade monitora, serão enviadas para um Web Server. O servidor escolhido para utilização neste estudo foi o The Things Network de uso gratuito em pequena escala. Este também permite uma comunicação segura (criptografada) das informações, para isso foi necessário a criação de canal de comunicação para a unidade emissora (end-device), no qual são fornecidos identificadores (Device EUI, Application EUI, App Key) para a comunicação segura com o servidor. Esses parâmetros foram setados no software e são enviados como parte da carga útil (payload) do pacote LoRa.

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Os principais métodos utilizados utilizados foram LMIC_setDrTxpow(SF_12) para definição do fator de espalhamento espectral, LMIC_lfreq(f_915) para a definição de frequência da portadora, o método analogRead() para realização da leitura do sensor, e o LMIC_setTxData2() para o envio do pacote.

Uma característica do primeiro software desenvolvido para a unidade emissora, é que ele não aguarda uma mensagem de confirmação de recebimento do pacote provida do dispositivo receptor. A ausência dessa comunicação de confirmação, significa menos uma janela de recepção por parte de dispositivo emissor, o que se traduz em um menor consumo energético. Já o segundo software com a utilização do LoRaWAN implicitamente trabalha com mensagens (ACKs) de status da comunicação, realizando reenvios de pacotes quando necessário. O que torna a utilização deste protocolo necessárias em certas aplicações do LoRa.

5.1.3.2 Unidade Receptora O primeiro software implementado para a unidade receptora foi para o teste de alcance da comunicação LoRa. A programação tem o objetivo de receber os pacotes (“oi” + número do pacote) providos da unidade emissora, contar a quantidade total de pacotes recebidas até o presente ciclo, e verificar a potência do que transmitiu esse mesmo pacote.

Para esta implementação foram utilizadas a mesmas três bibliotecas que foram utilizadas na programação do End-Device para o teste de alcance. Uma vez que estas fornecem os métodos necessários para o recebimento dos pacotes LoRa.

68

Figura 29 – Fluxograma do software para teste de alcance LoRa da Unidade Receptora

Fonte: Autoria própria, (2019).

A Figura 29 apresenta o fluxograma do processo executado pelo algoritmo. Na primeira etapa inicializa a comunicações seriais e o módulo Wi-Fi LoRa através do método LoRa.Begin(), na segunda ela inicializa o recebimento de pacotes e fica aguardando (ouvindo) por pacotes através do método LoRa.parsePacket(). Assim que receber um pacote inicia a terceira etapa que é leitura do conteúdo do pacote com o método LoRa.readString(), nesta mesma sessão também incrementado a variável que contabiliza a quantidade de pacotes recebidos. Na quarta etapa se consulta a potência

69

do sinal que promoveu o pacote com o método LoRa.packetRssi(). Na quinta etapa são exibidos no display a mensagem do pacote, a quantidade de pacotes recebidos e a potência do sinal (RSSI) de transmissão do pacote. A segunda, terceira, quarta e quinta etapas estão em um laço, que se inicia a partir da segunda toda vez que chega um novo pacote.

O segundo software desenvolvido para unidade receptora, dentre todos os desenvolvidos é o mais complexo. Feito para operar a unidade receptora operar como Gateway LoRaWAN no teste de monitoramento de umidade do solo. Esse tem como objetivo receber os pacotes providos da unidade emissora através da Wi-Fi LoRa, conectar à internet utilizando a Wi-Fi 802.11/n e enviar para um servidor MQTT os dados providos da unidade emissora.

Diferente do end-device que é definido um fator de espalhamento SF, os Gateways LoRaWAN podem detectar mensagens em todos os fatores de espalhamento (SF7 à SF12). Existem 3 modos de operação de um gateway LoRaWAN, Things4u (2019) os caracterizam como: ● Modo STD - O gateway opera em um único canal e um único fator de espalhamento. Por essas características possui maior sensibilidade de recepção. ● Modo CAD - O gateway opera em um único canal, mais para vários fatores de espalhamento. Assim consegui receber mais mensagens simultaneamente. ● Modo HOP - Neste o gateway opera em todas as frequências e em todos com todos fatores de espalhamento espectral. Modo experimental.

Como para esse experimento se tem apenas um dispositivo final (unidade transmissora), e requer um maior alcance, o Modo STD foi escolhido para operação do Gateway.

70

Figura 30 – Fluxograma do software para monitoramento de umidade do solo da Unidade Receptora

Fonte: Autoria prĂłpria, (2019).

71

A Figura 30 apresenta o fluxograma do processo simplificado executado pelo algoritmo. O algoritmo define inicialmente as credenciais para a conexão com Wi-Fi 802.11 /n, o endereço do servidor (The Things Network) para envio das informações, bem como o canal de operação e o fator de espalhamento (915 Mhz, SF12 iguais aos configurados

na

comunicação

LoRa

direta).

Foram

utilizados

o

métodos

initLoRaModem() para inicializar a máquina de estado LoRa, WlanConnect() para estabelecer a conexão à RSF doméstica, ESP32WebServer() para conexões como servidor, startReceive() para o recebimento de pacotes , onEvent() realiza a chamada das funções de comunicação, e pullData() para o envio do pacote.

Dentro do LoRaWAN ainda existem funções para envio de mensagens de feedback, em todos os sentidos da comunicação entre end-device gateway servidor.

Essas mensagens alertam sobre pacotes danificados, perda de conexão, falhas em autenticação, sincronização e etc. Todas essas mensagens são tratadas para a execução de uma tarefa posterior. Todos esses feedbacks contribuem para a QoS do LoRaWAN.

5.2 CENÁRIO DE EXPERIMENTOS Para uma maior praticidade nos experimentos e obtenção de uma linha de visada com menor obstrução possível entre a unidade transmissora e unidade receptora, o módulo transmissor foi acoplado a uma haste de 1,20 metros e o módulo receptor a uma haste de 2,30 metros, como mostrado na Figura 31.

72

Figura 31 – Unidades Emissora/Receptora acopladas as hastes

Fonte: Autoria própria, (2019).

Para teste de alcance da comunicação entre dispositivos LoRa, foram realizados dois experimentos, um em ambiente urbano com visada direta e outro em ambiente rural com visada direta. Para testar a LoRa como parte de um sistema de monitoramento agrícola, foi desenvolvido um sistema de monitoramento de umidade do solo, instalado em um cenário agrícola para estudo.

5.2.1 Comunicação entre unidade emissora e receptora com visada direta em perímetro urbano

O cenário utilizado para a avaliação da tecnologia LoRa quanto ao desempenho na comunicação entre dispositivos com visada direta em perímetro urbano, foi a Avenida Olívia Flores na cidade de Vitória da Conquista - BA.

73

Figura 32 –Ambiente urbano cenário de visada direta entre as unidades

Fonte: Autoria própria, (2019).

A avenida foi escolhida como ambiente de teste devido a sua extensão, possibilitando a visada direta, e ao mesmo tempo estar inserida em um cenário urbano, estando rodeada obstáculos, como prédios, árvores, veículos, postes e ainda proporcionar interferências externas como redes de celular, redes de energia e etc.

Figura 33 - Unidades emissora/receptora em ambiente urbano

Fonte: Autoria própria, (2019).

74

Para testar o alcance da comunicação LoRa, o módulo receptor foi posicionado no início da Avenida (marcador azul da Figura 32), e o módulo transmissor posicionado em cinco distâncias diferentes, sendo elas 500, 1000, 1500, 2000 e 2500 metros (marcadores verdes da Figura 32). Em cada uma dessas distâncias o módulo transmissor, ficou posicionado por duas horas, executando o software desenvolvido para o teste de alcance da comunicação LoRa, descrito na sessão 5.1.3.1, que criar um pacote com a mensagem “oi” e concatena com o número do pacote, e o transmite via rede LoRa . Para esse teste, esse algoritmo em questão foi executado a cada 30 segundos, ou seja, criou um pacote e o enviou a cada 30 meio minuto, totalizando 240 pacotes para cada distância, no período de 2 (duas) horas em cada distância.

Ao mesmo tempo o módulo receptor estava executando o software de recebimento dos pacotes do teste de alcance, descrito na seção 5.1.3.2, neste algoritmo coloca o módulo em modo de recebimento de pacotes, e para cada pacote recebido, ele exibe a mensagem, o número do pacote, quantos pacotes já foram recebidos e a potência do sinal.

A sensibilidade de recepção do chip LoRa SX 1278, foi o fator chave para esse experimento. A Heltec (2018) nas especificações do módulo WiFi LoRa 32 informa que a sensibilidade do SX integrado é de -125 dBi, ou seja, essa é a potência mais baixa de sinal captada pelo receptor LoRa. Esse valor é exibido no display do módulo receptor, indicando a potência do sinal que transmitiu cada pacote, e foi averiguado constantemente para cada distância, a fim de não posicionar o transmissor, em uma distância fora de área de cobertura da unidade receptora.

5.2.2 Comunicação entre unidade emissora e receptora com perímetro rural

visada direta em

O cenário utilizado para a avaliação da tecnologia LoRa quanto ao desempenho na comunicação entre dois dispositivos com visada direta em perímetro rural, fui uma lavoura agrícola, às margens da cidade de Luís Eduardo Magalhães BA, que pode ser visualizada contornada em vermelho na Figura 34.

75

Figura 34 - Ambiente agrícola cenário de visada direta entre unidade

Fonte: Autoria própria, (2019).

A verificação do desempenho de comunicação dos dispositivos LoRa

na

lavoura, está alinhado com a proposta do estudo do trabalho, sobre a utilização da Rede LoRa no ambiente agrícola. A lavoura trata-se de uma área plana, não possui obstáculos como árvores e vegetação elevada, praticamente isenta de interferências de providas de redes de energia, redes de celulares e etc.

Neste teste, o módulo receptor foi posicionado na sede da fazenda (marcador vermelho Figura 34), e o módulo transmissor, assim como no experimento anterior, foi posicionado em distâncias diferentes, sendo elas 500, 1000, 1500, 2000, 2500, 3000 e 3500 metros (marcadores verdes Figura 34). Em cada uma dessas distâncias, o módulo transmissor estava executando o primeiro software desenvolvido para ele, o qual cria um pacote com uma mensagem “oi” e um número do pacote, e o enviado através da rede LoRa, repetidamente a cada 30 segundos, em um período de duas horas em cada distância, totalizando 480 pacotes.

Ao mesmo tempo o módulo receptor estava executando o primeiro software desenvolvido para a unidade receptora descrito na seção 5.1.3.2. Este habilita o modo de recepção LoRa, para receber os pacotes enviados pelo módulo transmissor, para cada pacote recebido, exibe o conteúdo do pacote, a quantidade de pacotes recebidos e a potência do sinal que transmitiu o presente pacote.

Para este também foi considerado a sensibilidade de recepção do chip LoRa de modo que devido a distâncias entre os módulos, os pacotes recebidos pelo receptor não ultrapassasse -125 dBm de potência, conforme às especificações do fabricante.

76

5.2.3 Monitoramento de Umidade com Comunicação Wi-Fi LoRa O cenário de monitoramento de umidade do solo utilizando a comunicação WiFi Lora está diretamente relacionado com a temática deste trabalho. Trata-se da utilização da unidade transmissora e unidade receptora como parte do protótipo de um sistema de monitoramento de umidade do solo, aplicado à uma lavoura agrícola durante 24 horas.

O local com características comuns do ambiente agrícola, para a realização do experimento, foi a Agropecuária Sapucaí, às margens da BR-020 a cerca de 20 quilômetros de Luís Eduardo Magalhães no estado da Bahia, visualizada a Figura 35.

A fazenda possui cinco áreas que são irrigadas com pivôs, onde são cultivados soja, milho, milheto e etc.

Figura 35 – Agropecuária Sapucaí

Fonte: Autoria própria, (2019).

77

Segundo relato dos proprietários, atualmente a agropecuária necessita de um sistema que forneça dados de umidade do solo dos campos cultivados, porque devido à falta das informações, as decisões de utilização dos pivôs são intuitivas, sem bases métricas. O sócio proprietário Isaías Capalesso relata que em períodos de cultivo, são realizadas irrigações diárias, e sempre com o mesmo volume de água, não havendo critérios para a determinação desse volume hídrico. E complementa, dizendo em ocasiões nas quais o percentual de umidade do solo é decisivo para a realização de uma aplicação de defensivos agrícolas, a umidade é aferida manualmente.

5.2.3.1 Definição de Parâmetros Para que o experimento com o protótipo do sistema de monitoramento de assemelha-se ao máximo a uma aplicação sistema real, parâmetros forem definidos, levando e consideração as características do vegetal, as distâncias das áreas cultivadas e o tratamento das informações.

5.2.3.1.1 Posicionamento dos Módulos Emissor/Receptor A definição do posicionamento dos módulos, levou em consideração o resultados dos teste de alcance realizados anteriormente, principalmente o de visada direta em cenário agrícola, bem como os requisitos do módulo receptor, de estar alimentado por uma fonte de energia não restritiva e estar conectado à internet, requisitos estes, supridos na sede da agropecuária.

E analisando a disposição das áreas que compõem a agropecuária, a campo cultivado mais distante da sede da fazenda, tem seu epicentro localizado a uma distância de 2453 metros, distância esta que através dos resultados obtidos nos experimentos anteriores, a comunicação LoRa apresenta um bom desempenho.

Desde modo o módulo transmissor responsável por aferir a umidade foi posicionado no Lote 5 (cinco) (marcador azul na Figura 35), e o módulo receptor operando como gateway foi posicionado na sede da fazenda (marcador verde na Figura 35). A Figura 36-a mostra a unidade transmissora posicionado na área 5 e a Figura 36-b a unidade receptora sede da Agropecuária Sapucaí.

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Figura 36 – Unidades emissora/receptora na Agropecuária Sapucaí

(a)

(b)

Fonte: Autoria própria, (2019).

5.2.3.1.2 Profundidade do sensor Esse parâmetro foi definido levando em consideração as características do vegetal presente na lavoura a ser monitorada, e no período desse estudo era o milheto. O sócio proprietário Isaías Capalesso, com sua experiência relatou que a profundidade média das raízes no milheto é de cerca de 30 centímetros, se assemelhando com os valores descritos no estudo de por Bordin (2008). Com base nessas informações o sensor de umidade foi posicionado a uma profundidade de 30 centímetros.

5.2.3.1.3 Taxa de amostragem

O cenário agrícola não apresenta mudanças abruptas, os em conversação com os proprietários da agropecuária, consensualmente foi decidido que a realização de uma amostra por hora, é ideal para o acompanhamento da umidade da área cultivada.

79

Para uma abrangência mais significativa, esse experimento teve uma duração de 24 horas, onde foram coletadas 24 amostras. Esse número relativamente pequeno de amostragem, se traduz em baixo fluxo de dados na comunicação LoRa, ressaltando a escolha da frequência da portadora de 125 kHz.

5.2.3.1.4 Tratamento da Informações Coletadas

Basicamente quando se propõe um sistema de monitoramento, ele deve coletar e exibir as informações. No protótipo do sistema desenvolvido, a informações foram enviadas pelo módulo transmissor (Gateway) para o Broker The Things Network.

Assim como mencionado, essa é plataforma de uso gratuito, apresenta um recurso de armazenamento temporário das informações.

80

6 RESULTADOS E DISCUSSĂ•ES

Nessa serĂŁo apresentados os resultados dos trĂŞs experimentos realizados. O dois de teste de alcance com visada direta em ambiente urbano e agrĂ­cola.

6.1 ALCANCE NA COMUNICAĂ‡ĂƒO ENTRE DISPOSITIVOS LORA Assim como jĂĄ descrito, para esses experimentos a unidade transmissora foi posicionada em distâncias diferentes da unidade receptora, e em cada distância foram transmitidos 240 pacotes. O algoritmo executado pela unidade receptora contabilizou os pacotes recebidos e verificou a potĂŞncia do sinal de transmissĂŁo de cada pacote.

A potência do sinal para cada distância para anålise foi obtida calculando-se a mÊdia dos sinais de transmissão de todos os pacotes recebidos. O índice de sucesso foi calculado atravÊs fórmula exibida a seguir:

đ?‘‡đ?‘?đ?‘Žđ?‘?đ?‘œđ?‘Ąđ?‘’đ?‘ =

đ?‘› Ă— 100 240

(11)

onde n ĂŠ a quantidade de pacotes recebidos pela unidade receptora, e 240 ĂŠ a quantidade de pacotes enviados pela unidade transmissora (no perĂ­odo de duas horas), e o 100 para transformar em porcentagem.

6.1.1 Resultado da Visada Direta em Perímetro Urbano No experimento de teste de alcance da comunicação LoRa e cenårio urbano com visada direta, a unidade transmissora foi posicionada em 5 (cinco) distâncias diferentes para estudo. A primeira distância foi de 500 metros, onde potência mÊdia do sinal calculada foi de -100,5 dBm, nesta 100% dos pacotes enviados pela unidade transmissora foi recebido pela unidade receptora. A segunda distância foi de 1000 metros, na qual a potência mÊdia obtida foi de 113,4 dBm, onde se teve uma perda de pacotes, obtendo uma taxa de sucesso na entrega dos pacotes de 99,2%. A terceira distância foi de 1500 metros, a potência do sinal calculado foi de -117,6 dBm, a taxa sucesso de entrega diminui, alcançando 97,5% de sucesso. A quarta distância foi de 2000 metros, a potência mÊdia do sinal foi de -119,1 dBm, no qual obteve uma

81

taxa de sucesso de 92,5%. A quinta distância estudada foi de 2500 metros, na qual obteve-se uma potência do sinal de -122,9 dBm, onde a taxa de sucesso de entrega dos pacotes foi de 76,3%. Esses valores foram organizados na Tabela 2 a seguir.

Tabela 2 - Resultado da comunicação LoRa visada direta em ambiente urbano

Distância (metros)

Potência do Sinal (dBm)

Taxa de Sucesso (%)

500 1000 1500 2000 2500

-100,5 -113,4 -117,6 -119,1 -124,1

100 99,2 97,5 92,5 76,3

Fonte: Autoria própria, (2019).

Analisando a Tabela 2, é possível perceber que a potência média do sinal (dbM) tem uma relação direta com o sucesso na entrega dos pacotes, conforme a potência do sinal vai diminuindo a taxa de sucesso de entrega dos pacotes também diminui.

Isso significa que quanto maior a distância, mais ineficiente é a comunicação LoRa. O Figura 37 exibe os valores de potência do sinal obtidos e a Figura 38 a taxa de sucesso de entrega dos pacotes, ambas com relação às distâncias.

Figura 37 - Potência do sinal para cada distância avaliada em ambiente urbano

Fonte: Autoria própria, (2019).

82

Pode-se observar na figura 37 que a redução de força do sinal é muito grande dos 0 para os 500 metros. Já para a distâncias seguintes, a perda não é tão grande quando comparada ao valor anterior.

Figura 38 - Taxa de sucesso na entrega de pacotes em ambiente urbano

Fonte: Autoria própria, (2019).

Analisando a relação distância entre os dispositivos LoRa e a taxa de sucesso de entrega de pacotes, e notório o desempenho da comunicação LoRa. Levando em conta os diversos obstáculos e interferências presentes nesse ambiente, o LoRa obteve uma taxa de sucesso na entrega dos pacotes com distância de até 2000 metros acima dos 90%, o que no contexto de várias aplicações IoT é suficientemente aceitável. Para aplicações que possam operar com um número de perda mais elevado, o LoRa obteve um alcance de até 2500 metros onde potência média do sinal na casa dos -124 dBm. E no ambiente urbano onde se aplicam soluções IoT constituídas por um número elevado de dispositivos por área quadra, e levando em conta o alcance obtido do LoRa, e também que existem gateways capazes de gerenciar milhares de dispositivos finais (unidades transmissoras), um único dispositivo gateway LoRa será capaz de cobrir uma área com diâmetro de 5000 metros, baseado nos resultados

83

desse experimento. Esse é um potencial altamente relevante para integração em aplicações IoT para esse ambiente.

6.1.2 Resultado da Visada Direta em Perímetro Rural O experimento de alcance na comunicação em cenário agrícola, assim como já mencionado, foi realizado posicionando a unidade transmissora em 7 (sete) distâncias diferentes para a comunicação LoRa com a unidade receptora. As distâncias avaliadas foram semelhantes ao experimento em cenário urbano, onde a primeira distância estudada foi de 500 metros, que obteve uma taxa de sinal média de -95,1 dBm e taxa de entrega de pacotes de 100%. A segunda distância foi de 100 metros, na qual a potência do sinal média calculada foi de -108,4 dBm e taxa de sucesso igual a 98,8%. A terceira distância foi de 1500 metros, onde a potência média do sinal foi de -115,9 dBm e taxa de sucesso de 97,5%. A quarta distância foi de 2000 metros, na qual a potência média foi de -118,3 dBm e taxa de sucesso de 94,4%. A quinta distância estudada, foi de 2500 metros, onde obteve uma potência média de 122,6 dBm e taxa de sucesso de 90,8%. A sexta distância foi de 3000 metros, na qual obteve uma potência média de 124,0 dBm e taxa de 81,6%. A sétima e última, foi com uma distância de 3500 metros, que obteve uma potência média do sinal de 125,2 dBm e taxa de sucesso na entrega dos pacotes de 67,5%. A Tabela 3 exibe os valores obtidos no experimento de maneira estruturada.

Tabela 3 - Resultado da comunicação LoRa visada direta em ambiente agrícola Distância (m)

Potência do Sinal (dBm)

Taxa de Sucesso (%)

500

-95,5

100

1000

-108,4

98,8

1500

-115,9

97,5

2000

-118,3

94,2

2500

-122,6

90,8

3000

-124,0

81,6

3500

-125,2

67,5

Fonte: Autoria própria, (2019).

Assim como o experimento anterior em cenário urbano, analisado a Tabela 3 é possível constatar que no cenário agrícola, que quanto maior a distância, maior é a

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ineficiência da comunicação LoRa. O Figura 39 exibe os valores de potência do sinal obtidos e o Figura 40 taxa de sucesso de entrega dos pacotes, ambas com relação às distâncias avaliadas.

Figura 39 - Potência do sinal para cada distância avaliada em ambiente agrícola

Fonte: Autoria própria, (2019).

Observe na figura anterior, que a perda a potência do sinal é muito grande dos 0 para os 500 metros, característica semelhante ao experimento anterior. Já para a distâncias seguintes, a perda não é tão grande quando comparado ao valor anterior.

Figura 40 - Taxa de sucesso na entrega de pacotes em ambiente agrícola

Fonte: Autoria própria, (2019).

85

Assim como o experimento em perímetro urbano, analisando a relação distância entre os dispositivos LoRa e a taxa de sucesso de entrega de pacotes, é notório o alcance da comunicação rede LoRa. Em ambiente agrícola o LoRa obteve resultados superiores aos obtidos em cenário urbano, com taxa de sucesso acima dos 90% com 2500 metros. Em com alcance total considerável de até 3500 metros, aproximadamente 1000 metros a mais que o alcançado no experimento anterior. Algo previsível devido aos poucos obstáculos existentes nesse ambiente, e a praticamente inexistência de interferências.

O cenário agrícola em sua grande maioria dispõe de vastas extensões, onde tudo é longe tudo. As aplicações IoT para este ambiente geralmente necessitam de um meio de comunicação que proporcione praticidade, partindo a mesma analogia do experimento passado, com o alcance obtido, um único gateway seria capaz de cobrir uma área com 7000 metros de diâmetro. O que seria o suficiente para cobrir uma propriedade de pequeno porte. É importante se considerar que esses resultados obtidos nos testes de alcance da comunicação LoRa foram realizados com a utilização de uma antena com ganho de 2 dBi em ambos os dispositivos, e software executado não continha métodos para melhorar a taxa de pacotes. Existem estratégias que podem ser implementadas para melhorar o desempenho da comunicação LoRa, seja ela via hardware, com utilização de rádios mais potentes juntamente com antes com ganhos maiores, ou via software com funções de reenvio de pacotes e etc.

6.2. SISTEMA DE MONITORAMENTO DE UMIDADE DO SOLO LORA Essa avaliação da tecnologia LoRa, levou em consideração as métricas de desempenho da comunicação LoRa em ambientes urbano e agrícola. E teve o intuito de analisar a rede LoRa quando integrada a um sistema de monitoramento agrícola.

Sistema esse, onde um dispositivo LoRa foi posicionado em uma área agrícola e realizava a medições de umidade do solo periodicamente, e o valores coletados eram enviados para um gateway utilizando a rede LoRa. Assim como descrito na seção 5.2.2, o experimento teve uma duração de 24 horas, onde foram aferidas 24 vezes a umidade do solo, e através das RSF e internet foram enviadas para o broker The Things Network. Os valores armazenados e

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exibidos pelo broker podem foram estruturados em um gráfico e podem ser visualizados na Figura 41.

Figura 41 - Valores de umidade do solo da Agropecuária Sapucaí

Fonte: Autoria própria, (2019).

Analisando ao desempenho da comunicação LoRa gerenciada pelo protocolo LoRaWAN, onde as unidades transmissora e receptora estavam posicionadas a uma distância de 2453 metros uma da outra. E ainda baseando-se no desempenho da comunicação em ambiente agrícola onde com 2500 metros o LoRa obteve 90,8% de sucesso na entrega dos pacotes na comunicação LoRa, com a distância desse experimento, como pode ser observado na Figura 41, 100% dos pacotes foram transmitidos com sucesso. Um excelente desempenho da comunicação LoRa. Ainda sobre as informações presentes na Figura 41, entre as horas de 19:59:54 e 21:59:54 foi registrado um aumento repentino da umidade, condizente com o período de irrigação da área 5 da agropecuária. Ressaltando que a decisão de irrigar foi tomada sem nenhuma informação da presente umidade do solo. E com a utilização de um sistema como o desenvolvido para esse estudo, as decisões podem ser mais efetivas. Porque atualmente, só em casos de extrema necessidade a umidade do solo é aferida, e de maneira manual.

Outro ponto analisado neste experimento foi o consumo energético da unidade transmissora. Esta estava sendo alimentada por pilhas de 7,4V de tensão e 10000mAh de corrente. O consumo foi aferido com o auxílio de um multímetro, constatando 222,6

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mA de gasto. Pelo cĂĄlculo representado abaixo estima-se a tempo de autonomia das pilhas: 10000 đ?‘šđ??´â„Ž 222,6 đ?‘šđ??´

= 44,92363h

(12)

O valor de consumo foi próximo ao especificado pela Heltec (2018), que informava consumo de 80 mA para o ESP 32, e 120 mA paro o SX1276 (transmitindo), totalizando 200 mA consumo. Mas vale ressaltar que essa estimativa da duração da pilha, Ê para a unidade transmitindo o tempo todo, e nesse teste ela só transmitia a casa 60 minutos, o que pode prolongar a autonomia essa autonomia estimada. Esse resultado Ê de grande utilidade no cenårio agrícola devido a grandes distâncias, não havendo necessidade em períodos curtos de tempo, de se deslocar atÊ os dispositivos finais para realizar a substituição das pilhas.

Outro ponto de destaque, ĂŠ a simplicidade da infraestrutura camada LoRa, onde com apenas dois dispositivos simples foi possĂ­vel estudar alguns aspectos de desempenho dessa RSF, bem como desenvolver um sistema bĂĄsico de monitoramento de umidade do solo. E tambĂŠm onde facilmente podem integrados outros dispositivos finais com uma variedade de sensores, montando assim uma RSSF (rede de sensores sem fio).

Como um todo, a camada física LoRa juntamente com o protocolo LoRaWAN apresentou um excelente desempenho realizando a comunicação sem fio de um sistema de monitoramento agrícola. Obtendo sucesso em todas as janelas uplink por parte da unidade transmissora. Resultado que coloca esse conjunto de tecnologias com fortes candidatas a integração como ferramenta de comunicação sem fio em sistemas de monitoramento agrícola.

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7 CONCLUSÃO

Todos os dias surgem novas tecnologias nas mais diversas áreas. Para o nicho das telecomunicações existe uma infinidade dessas, porém na sua grande maioria voltadas para comunicações audiovisuais e para o setor industrial, comparados com estes, tecnologias em redes sem fio para comunicação no ambiente agrícola são bem mais escassas.

Neste trabalho foi realizado um estudo das tecnologias LoRa e LoRaWAN, que recentemente vem sendo aplicadas em soluções IoT (Internet das Coisas) direcionadas para agricultura. O estudo foi composto por uma revisão bibliográfica sobre as características das duas soluções, a composição de duas unidades lora para teste de alcance dessa comunicação RSF, e por último uma análise do desempenho da rede como veículo de comunicação sem fio de um sistema de monitoramento de umidade do solo de uma lavoura.

A rede apresentou um resultado satisfatório, e condizente com a proposta de sua criação, de apresentar um longo alcance e baixo consumo energético. Onde um LoRa recebeu mensagens de uplink estado posicionado a 2500 metros em cenário urbano e 3500 metros em rural de um end-device LoRa. E quadro integrado como ferramenta de comunicação sem fio em um sistema de monitoramento agrícola, este conjunto atuando sob o protocolo LoRaWAN, apresentou estabilidade, confiabilidade onde obteve sucesso na transmissão de 24 pacotes com informações de umidade solo. E com um baixo consumo energético.

Quanto aos objetivos, foram alcançados. Foi feita a revisão bibliográfica do LoRa e LoRaWAN, pode-se constatar que essas tecnologias são bem estruturadas, e com uma variedade de configurações de operação, tornando-se versátil para diferentes aplicações. Para uma dessas, um protótipo de um sistema de monitoramento agrícola LoRa foi desenvolvido com sucesso. Quando testado, averiguou-se que o ótimo desempenho do LoRa em ambiente agrícola, descritos em detalhes nas seções 6.1 e 6.2.

A partir dos resultados obtidos nos experimentos de alcance bem como da utilização do LoRa em um sistema de monitoramento pode-se afirmar que os LoRa e LoRAWAN são tecnologias viáveis para utilização em ambiente agrícola. Condizente com a hipótese da pesquisa, que estipulava um sucesso devido ao potencial do LoRa

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já alcançado em pesquisas de outros autores, juntamente com os conhecimentos adquiridos na academia nas áreas de eletrônica, programação e redes.

Portanto, respondendo à questão central da pesquisa deste trabalho, o LoRa e o seu protocolo LoRaWAN é altamente aplicável como meio de comunicação sem fio em sistemas de monitoramento agrícolas. Sendo ainda dentre as tecnologias LPWAN disponíveis no mercado a mais vantajosa, tanto pelo seu alcance e comunicações ilimitada, quanto pela sua infraestrutura simplificada.

7.1 TRABALHOS FUTUROS

Em trabalhos futuros o ambiente agrícola continuará sendo o foco para aplicações IoT com a tecnologia LoRa e LoRaWAN. A proposta é o aprimoramento do sistema de monitoramento agrícola, integrando mais dispositivos finais ao sistema, onde esses módulos serão utilizarão além do sensor de umidade, outros sensores, com o intuito de fornecer mais informações sobre o ambiente, como umidade do ar, temperatura, velocidade do vento e entre outros.

Para aumentar alcance da RSF, pretende-se investir em rádios LoRa com maior sensibilidade de recepção, juntamente com antenas para transmissão com ganhos (dBi)superiores. Bem com maneiras de melhor posicionamento das unidades LoRa. Visando uma maior autonomia energética dos dispositivos finais LoRa, pretende-se acoplar um sistema fotovoltaico de pequenas dimensões aos enddevices, para reposição da carga das pilhas/baterias.

Em caráter de institucional, pretende-se criar um laboratório de estudo LoRa, visando levar mais pessoas a conhecer essas tecnologias.

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REFERÊNCIAS

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