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.

Fig. 1 - Gateway LoRaWAN e Device GPS

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 retrasmissão.

Guia Inicial

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 Tefonia 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 dispostitivos 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 poténcia 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 siginifica 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 Brasi o SF varia de 7 a 12, sendo 12 quando o sensor estiver mais distante do gateway ou operando com sinal de comunicação fraco.

Apicações

• 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.

Servidor LoRaWAN

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 desenvolvimeto 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 analizar 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.

Infra Estrutura

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 posteriorente seriam comparadas com valores simulados em software. Os lugares que instalamos os gateway foram: FindesLAB, Zaruc Tecnologia, CPID e Morro do Jaburuna, Fig. 2.

Simulação

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, edificaçoes, 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 multipercuso, 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.

Fig. 1 - Gateway LoRaWAN e Device GPS

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, o resultado pode ser visto Aqui

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, aceitavel para este tipo de modelo [1].

Fig. 1 - Gateway LoRaWAN e Device GPS

Conclusão

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.

Referências

[1] Caleb Phillips, Douglas Sicker and Dirk Grunwald - Bounding The Pratical Error of Path Loss Models