Internet of Things, ou Internet das Coisas, nada mais é do que o nome genérico para todo e qualquer dispositivo elétrico ou eletrônico com uma “pequena inteligência” — ou seja, capaz de receber e enviar informações de forma automatizada — e acesso à Internet.
A ideia é que um dispositivo IoT possua um hardware autônomo, relativamente pequeno, que exija baixa manutenção. Dessa forma, eles formam uma rede e são ideais para automatização de tarefas menores e coleta de dados de ambientes através de sensores — pois não ocupam muito espaço e funcionam de forma relativamente independente.
A promessa é conectar praticamente tudo: desde o simples interruptor de luz até seu carro. Assim, IoT objetiva trazer facilidade, dinamismo e controle a diversas atividades, tanto na vida particular quanto no trabalho.
Como é uma novidade, ainda não foram exploradas todas as possibilidades de IoT — o que pode ou não ser feito com essa tecnologia. Nesse sentido, a área de cobertura e escalabilidade estão relacionadas à rede de dispositivos e as formas de comunicação utilizadas.
Nesse artigo, abordaremos os protocolos de comunicação, ou seja, a linguagem que o IoT usará para se comunicar e/ou transmitir dados a um servidor para que os dados possam ser tratados de acordo com a necessidade da aplicação.
Protocolos de IoT já existentes e usados no Brasil
Entre os protocolos de IoT existentes estão o Wi-Fi, as bandas do celular (2G, 3G, 4G e 5G), 6LoWPAN, Bluetooth, WirelessHart, Zigbee, MQTT IoT, CoAP, DDS, Sigfox, LoRa, CaTM, NB IoT, Z Wave.
Desses, no Brasil operam o Wi-Fi, celular, LoRaWAN, Sigfox, Zigbee, WirelessHART, Bluetooth e 6LowPAN.
Cada um desses protocolos possui suas especificidades com relação às diferentes características mencionadas anteriormente. Para achar o protocolo certo para cada negócio, é necessário comparar as especificidades dos protocolos e dispositivos às necessidades do projeto.
A seguir, trazemos dados mais detalhados de alguns dos protocolos mais utilizados no Brasil.
Sigfox
O protocolo Sigfox foi inventado por uma empresa francesa (de mesmo nome, Sigfox). De acordo com a empresa, o protocolo:
- Cobre uma área de 5 milhões de km²;
- Está presente em 70 países;
- Possui 15 milhões de dispositivos conectados.
Essa cobertura equivale a aproximadamente 3,5% da área de todos os continentes somados e está presente em aproximadamente 36% dos países existentes. Comparada à cobertura de rede celular, a do Sigfox é bem pequena, porém, temos que salientar que essa rede é proprietária. Logo, seu tamanho e aceitação é considerável.
Os benefícios prometidos pelo protocolo Sigfox são:
- Maior duração de bateria;
- Baixo custo de software e hardware;
- Baixo custo de conexão;
- Rede de área ampla de longo alcance;
Assim, o Sigfox pode ser indicado para aplicações mais simples, que não exijam muita troca de mensagens e com poucos dados. Por exemplo, dispositivos de monitoramento, sensores — ou seja, IoTs que necessitem mandar somente um status diário sobre determinada condição.
O alcance de uma rede Sigfox é aproximadamente 10 km em áreas urbanas e 40 km em áreas rurais, um alcance considerável, que pode ser interessante para o monitoramento de plantações de agronegócios ou fábricas industriais.
Como a rede de transmissão de dados é montada pela própria Sigfox, antes de decidir usar esse protocolo, você precisa ver se a sua área de atuação será coberta.
LoRaWAN
O protocolo LoRaWAN é propriedade da empresa Semtech. Existe uma associação denominada LoRa Aliliance, constituída por aproximadamente 500 membros, que ajudam na divulgação, padronização e propagação do uso do protocolo. De acordo com a empresa, hoje, há 137 redes LoRa operando em 157 países.
LoRaWAN possui 3 diferentes classes de comunicação:
- Classe A: comunicação assíncrona. Iniciada sempre pelo IoT, a qualquer hora. Depois de enviar a mensagem, a rede disponibiliza 2 janelas curtas de tempo para a eventual resposta do servidor. A rede não exige que IoT acorde para fazer nenhuma comunicação de controle. Desse modo, a bateria é conservada por um longo período;
- Classe B: comunicação síncrona. IoTs são sincronizados na rede através de tempos agendados. Isso possibilita que a rede envie dados ao IoT com uma latência determinada, sacrificando a duração da bateria. A latência é programada para até 128 segundos e esse consumo de energia, mesmo sendo maior que a classe A, ainda possibilita uma longa duração da bateria;
- Classe C: nessa classe, o receptor do IoT fica ligado permanentemente, reduzindo a latência na comunicação entre o servidor e o dispositivo. O consumo do receptor é de até 50mW. Essa classe é comumente usada para IoT que estão ligados diretamente à rede elétrica.
Os seus diferentes tipos de comunicação permitem que o LoraWan seja mais flexível e consiga cobrir um leque maior de soluções, desde as mais simples até mais complexas, como sensores e automação de máquinas.
O alcance de uma rede LoRaWAN é de aproximadamente 5km em áreas urbanas e de 20km em áreas rurais. Como a Sigfox, se você optar por esse protocolo, deverá se certificar que a área de atuação do seu IoT esteja coberta.
Cat-M1
Cat-M1 é um protocolo padronizado pela 3GPP. A 3GPP é um órgão que regulamenta e padroniza todos os sistemas celulares (2G, 3G, 4G, 5G). Logo, o protocolo Cat-M1 segue uma padronização internacional e é compatível com a rede celular existente.
Como já sabemos, praticamente todo o globo possui cobertura celular. O Cat-M1 utiliza especificamente a tecnologia LTE (conhecido no Brasil como 4G). Sendo assim, suas frequências de operação serão um range (por exemplo B3, B5, B7, B28, entre outras) dentro das existentes no sistema 4G.
O protocolo Cat-M1 promete uma longa duração de bateria aos dispositivos. A duração, claro, varia de acordo com a função do IoT e o tempo de comunicação, mas, geralmente, temos uma autonomia de anos.
O Cat-M1 utiliza largura de banda de 1.4MHz, tendo uma velocidade média de aproximadamente 300Kbps (downlink e uplink), com picos de 1Mbps. A troca de mensagens entre o IoT e o servidor é ilimitada. A latência fica em torno de 10-15ms. Essa baixa latência é pelo fato de o Cat-M1 usar parte do protocolo LTE.
O alcance de um IoT utilizando Cat-M1 é de 1km em áreas urbanas e 10km em áreas rurais.
Diante das especificações citadas acima, vemos que o protocolo Cat-M1 pode ser utilizado para IoTs de funções mais complexas, que exijam uma inteligência maior, maior número de dados trocados com o servidor e um menor tempo de resposta.
NB-IoT
Assim como Cat-M1, NB-IoT (Narrow Band IoT) se trata de um protocolo padronizado pela 3GPP. No entanto, o protocolo NB-IoT não usa a camada LTE, como o Cat-M1. Ele funciona nas mesmas frequências da tecnologia LTE, mas utilizando apenas um bloco de recurso do LTE (largura de banda de 200KHz).
É como se o LTE fosse uma balsa e o NB-IoT fosse um dos carros que essa balsa transporta. Em termos de frequências, o NB-IoT é compatível com a grande maioria das frequências utilizada em LTE (por exemplo, B1, B3, B5, B28, entre outras).
A duração de bateria prometida é longa (alguns anos), mesmo com trocas de mensagens frequentes entre IoT e servidor. A taxa de pico de download é de 127Kbps e a de upload de 159Kbps. A latência pode variar entre 1.6 e 10 segundos. A variação da latência é afetada pelo distanciamento da antena: quanto mais distante da antena, maior será a latência. A cobertura de um IoT que utiliza NB-IoT gira em torno de 1km para áreas urbanas e de 10km para áreas rurais.
Como o protocolo NB-IoT, transmite menos dados e tem latência não tão baixa, sua aplicação é mais interessante em soluções mais simples, como sensores de monitoramento.
Escolhendo o protocolo para o seu negócio
Apesar de mencionarmos que cada protocolo é indicado para determinada situação, isso não é regra. Você pode usar qualquer desses protocolos para qualquer solução. Logicamente, dependendo do protocolo adotado, será muito mais trabalhoso elaborar a solução.
Para evitar esse trabalho excessivo, que gera um custo maior no produto, conhecer os protocolos se torna uma vantagem na hora do desenvolvimento.
Os protocolos Sigfox e LoRaWAN são proprietários, ou seja, essas tecnologias privadas precisam construir suas próprias redes de comunicação para cobrir a maior área possível. Isso quer dizer que sua disponibilidade depende da cobertura destas redes particulares.
Embora suas redes estejam crescentes, sua cobertura ainda é muito menor do que as de protocolos como NB-IoT e Cat-M1, que utilizam o padrão 3GPP. Como esses protocolos usam redes já existentes, montadas pelas operadoras de telecomunicação, sua cobertura é muito mais extensa.
Assim, se sua região tiver cobertura celular, no sistema 4G, os IoT Cat-M1 e NB-IoT funcionarão sem problemas. Se a escolha for uma das tecnologias privadas (Sigfox e LoraWAN), será necessário consultar as empresas criadoras dessas tecnologias para saber se a região interessada está coberta pela rede de comunicação.
Além da cobertura, o tipo de tecnologia do protocolo — no caso, se é proprietária ou padrão 3GPP — também indica se é necessário realizar o processo de homologação do produto. Dispositivos com protocolos que utilizam o padrão 3GPP, como Cat-M1 e NB-IoT, precisam ser homologados pela ANATEL.
A homologação é um conjunto de testes que validam a tecnologia sendo utilizada, garantindo que ela está operando dentro das regras propostas pela 3GPP. Como a ANATEL é o órgão brasileiro responsável por telecomunicações, ela exige os testes e concede licenças para o uso de frequências licenciadas pela 3GPP no Brasil.
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Aqui no Venturus, nós conseguimos fazer esses testes da ANATEL e podemos ajudá-lo antes de você submeter os seus produtos a homologação. O Laboratório de Testes do Venturus possui equipamentos e conhecimento das normas 3GPP para ajudar você a garantir que o seu IoT consiga o selo de qualidade ANATEL.
Possuímos um simulador de rede 8821C (Anristu), que simula os protocolos Cat-M1 e NB-IoT. Com ele, nós podemos simular redes Cat-M1 e NB-IoT para executar os testes de homologação da ANATEL ou outros testes específicos que ajudem o desenvolvimento do IoT.
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