Grupo CPID LoRaWAN

A tecnologia LoRaWAN mostrou-se bastante imponente e simples de trabalhar. Tão certo, que a simplicidade depende do conhecimento de cada um, porém, tentarei explicar alguns processos encontrados no projeto GATLogística, recentemente executado no Centro de Pesquisa Inovação e Desenvolvimentos (CPID), em Cariacica - ES, com o apoio do IFES - Campus Serra e LabTel - UFES, financiado pela FAPES no edital FUNCITEC/MCI - RESOLUÇÃO N° 232/2018 e título GATLogistica Projeto de Rede IoT.

O objetivo principal do projeto foi validar uma rede LoRaWAN aplicada na Logística dos Portos da Região Metropolitana da Grande Vitória (RMGV). Utilizamos o software Radio Mobile para calcular / simular a cobertura LoRaWAN em toda região, pois o protótipo tinha interesse em futuros investimentos.

Inicialmente teríamos que fazer uma análise da cobertura do sinal wireless que o Gateway LoRaWAN consegue abranger. Melhor explicando, Gateway é um nó de rede equipado para fazer a interface entre outra rede que usa diferente protocolo de comunicação. No nosso caso, o gateway faz a mudança do protocolo LoRa para o protocolo UDP, responsável pelo acesso direto ao serviço IP (ou seja internet), e vise-versa. Os equipamentos utilizados foram: Gateway da Multitech, Gateway da Milesight e dispositivo com sensor GPS da fabricante Libelium, Fig.1.

Configuramos o Gateway para trabalhar em US915MHz, modelo adquirido pelo laboratório, com parâmetro regional LoRawWAN dos Estados Unidos, conforme guia fornecido pelo fabricante. Foi preciso aumentar o tempo de espera do acknowledge(ACK) para 300ms, informação enviada no sentido servidor / dispositivo. Sem este aumento de tempo, foi observado alto índice de retransmissão.

LoRaWAN é uma tecnologia de rádio frequência para redes de longa distância. Conforme especificações técnicas, a área abrangente chega a 3Km em ambientes urbanos, e 15Km em ambientes rurais (linha de visada). LoRaWAN também se enquadra em tecnologias Low Power WAN (LPWANs), sendo elas: Wi-Fi, NB-IoT, Bluetooth, Sigfox e telefonia celular (5G). Suportam alimentação fotovoltaica e podem chegar de 5 a 10 anos de funcionamento sem precisar carregar em rede elétrica.

A configuração varia conforme os parâmetros regionais estabelecidos pelo órgão regulamentador. Aqui no Brasil utilizamos os mesmos parâmetros que a Austrália, AU915. Dessa forma, no pior caso, conseguimos enviar pacotes com até 51 bits em uma taxa de transmissão de 250 bit/s. Esta medida varia conforme a distância do sensor até o gateway. Os dados são criptografados e o canal de comunicação compartilhado entre 8 ou 64 dispositivos simultaneamente, acarretando, no final das contas, milhares de sensores conectados a rede.

O meio de comunicação wireless trabalha na banda ISM do espectro de frequência. Isento de registrar complexo termo de licenciamento para sua instalação, é possível configurar uma rede pública ou uma rede privada com LoRaWAN. A potência de transmissão máxima chega a +30dBm e a sensibilidade de recepção pode chegar a -130dBm.

A novidade para o sistema de transmissão wireless é a capacidade de adaptar a taxa de dados (ADR). Isso significa que, quanto mais próximo o sensor estiver da estação rádio base (ERB) menor será o tempo de transmissão e consequentemente menor será o consumo de energia. O valor do ADR está diretamente relacionado com o fator de espalhamento (SF). Aqui no Brasil o SF varia de 7 a 12, sendo 12 quando o sensor estiver mais distante do gateway ou operando com sinal de comunicação fraco.

• Cidades inteligentes
• Fazendas inteligentes
• Rastreamento de ativos e animais
• Automação residencial e predial
• Indústria 4.0
• Equipamentos Hospitalares
• outros

A tecnologia LoRaWAN funciona sobre o princípio básico do sistema Aloha e também fornece o compartilhando de canais de comunicação pelo controle de acesso ao meio (MAC). Sua modulação protege de possíveis interferências provocadas por outros equipamentos que usam a mesma faixa de frequência. A comunicação é halfduplex, ou seja, consegue enviar e receber informações em intervalos de tempos diferentes.

Inicialmente, o gateway foi interligado com o servidor TTN (The Things Network), e os devices da Libelium configurados para enviar informações codificadas no padrão Cayenne LPP. Porém, o servidor TTN apresentou problemas do tipo estouro de contador, obrigando-nos a um restart do sistema. Como estávamos esperando uma estrutura que funciona continuamente, achamos melhor instalar o servidor ChirpStack.

O servidor ChirpStack não é apenas um servidor, mas também uma aula de novas tecnologias de leitura de dados. Enquanto o TTN entrega tudo pronto para o usuário, no ChirpStack é preciso preparar uma base de dados que irá armazenar as informações de forma permanente. Como resultado, com o ChirpStack temos o domínio sobre a informação.

Porém, infelizmente, neste momento não conseguimos participar diretamente no desenvolvimento do sistema WEB, o qual é responsável pela parte de back-end e front-end da aplicação. Aparentemente foi implementado o protocolo HTTP e apresentado na Plataforma Google Maps. O sistema, também fornece as informações decodificadas, assim poderíamos fazer uma analise dos dados da cobertura LoRa. Não podemos afirmar que o sistema ficou completamente pronto, pois apresentou algumas perdas de pacotes, por conta do sistema, no final. Por esse motivo, não conseguimos analisar a perda de pacotes. O servidor foi instalado em uma máquina virtual Kernel (KVM) e atribuído um IP estático, para acesso externo, junto a Prodest, órgão gestor e executor das atividades de tecnologia da informação e comunicação na administração pública do Estado.

Uma das vantagens da tecnologia LoRaWAN, é a facilidade de construir uma estação rádio base de baixo custo, se comparado com tecnologias atualmente dominantes. A diferença de peso dos equipamentos, facilitam a instalação em pequenos suportes, seja em estruturas de torres ou rooftop.

Tivemos acesso a 4 lugares, nos quais conseguimos instalar os gateways e fazer os drive test. Este estudo é primordial para a validação da cobertura e conclusão do trabalho. Foram colhidas informações do RSSI que posteriormente seriam comparadas com valores simulados em software. Os lugares que instalamos os gateway foram: FindesLAB, Zaruc Tecnologia, CPID e Morro do Jaburuna, Fig. 2.

O Radio Mobile é uma ferramenta para projetistas de rádio frequência. O sistema faz uso de informações de relevo e configuração do sistema de rádio frequência, necessárias para o cálculo computacional realizado sobre o método de Longle Rice. Ao final do estudo, é possível simular a cobertura do sinal LoRa, em lugares estratégicos que posteriormente serão fortes candidatos para a instalação real do gateway LoRaWAN.

Parâmetros cruciais que diferenciam cada caso em estudo, são as informações das estruturas que estão acima do revelo ( land cover), ou seja, edificações, arvores, florestas, etc. Um de nossos objetivos foi chegar em um valor comum, entre as cidades: Vitória, Vila Velha, Cariacica e Serra. Este valor é conhecido como perda de cidade, e representa a perda que o sinal de rádio sofre ao propagar em ambientes urbanos. Tecnicamente falando, efeito de multipercurso, desvanecimentos e efeito doppler.

Foi feita uma validação da cobertura, de modo ativa. Onde, prevemos a intensidade do sinal, via Radio Mobile, e comparamos com o sinal medido em campo experimentalmente, assim é chegado em uma aproximação entre cobertura simulada e real, conforme artigo [1]. Conhecendo estas premissas, foi decidido deixar uma margem de confiabilidade da cobertura, desprezando o sinal no limite do fraco. Desta forma, aumentamos a confiabilidade nas predições, Fig. 3.

Assim foi feito para os 4 lugares, onde o gateway foi instalado. Uma comparação entre o sinal simulado e o sinal medido experimentalmente, nos mostrou que as regiões poderiam, ter alguma semelhança, apesar de existir peculiaridades entre elas. Partindo desse conceito, uma Cobertura LoRa simulada, foi expandida abrangendo grandes áreas e avenidas da região. Totalizando uma quantidade de 31 gateways.

Também foi utilizado a fórmula do erro quadrático médio (RMSE), como ferramenta estatística para analise de acurácia do dados simulados. Este valor apresentou um resultado de 12dB, aceitável para este tipo de modelo.

Foi bastante interessante conhecer a tecnologia LoRaWAN, ela me proporcionou novos horizontes em relação a Internet of Things (IoT). Considero que as maiores evoluções em relação a tecnologia aplicada, estão em busca de menor consumo de energia e uma modulação do sinal avançada. Durante o projeto, conseguimos perceber essa evolução.

A localização exata do Gateway, depende muito da negociação comercial com o locatário do espaço. Devido a esse processo, é possível ter que reformular a simulação em alguns lugares.

Desta forma, posso disser que foi bastante simples fazer um projeto LoRaWAN, utilizando bons equipamento e um software para predição de cobertura de rádio. Porém para mim ficou faltando a implementação do servidor de rede e a criação de um sistema WEB. Desta forma, irei dar continuidade, de forma independente, à criação de novas aplicações utilizando LoRaWAN.