A Internet das Coisas (IoT) revolucionou a forma como nos conectamos e nos comunicamos com dispositivos, e o LoRaWAN surgiu como um dos principais protagonistas da conectividade IoT. O LoRaWAN teve um crescimento expressivo em popularidade nos últimos anos.
O que significa LoRaWAN?
LoRaWAN significa “Long Range Wide Area Network” (rede de longa distância e ampla cobertura). Ele combina a tecnologia de rádio da camada física chamada LoRa (Long Range) com o protocolo da camada MAC (Wide Area Network) para criar um padrão de comunicação completo, projetado especificamente para aplicações de Internet das Coisas. O LoRaWAN é uma rede de longa distância e baixo consumo (LPWAN), com mais de 225 milhões de nós LoRa/LoRaWAN e disponibilidade mundial (LoRa Alliance, 2021). Organizações dos mais diversos setores adotam cada vez mais o LoRaWAN em suas implementações IoT, e por boas razões.
Neste blog, vamos explorar o expressivo crescimento de cobertura e a crescente popularidade do LoRaWAN e por que ele pode ajudar empresas e setores que buscam aproveitar o potencial da conectividade IoT.
O que é um protocolo de comunicação?
Para entender o que é o LoRaWAN e como ele funciona, é essencial compreender o conceito de protocolo de comunicação sem fio. Os protocolos de comunicação costumam ser comparados à interação humana e às línguas. Só que, nos protocolos, em vez de pessoas se comunicando com palavras, há dispositivos que enviam e recebem dados sem fio.
Os protocolos de comunicação sem fio dizem ao seu dispositivo como ler, enviar e processar dados sem fio e com que frequência isso é feito. Por exemplo, quando falamos de LoRaWAN, a expressão “downlink” representa os dados transmitidos do servidor para o gateway ou dispositivo, e “uplink” representa a mensagem que o seu dispositivo enviou. Então, nesse caso, o LoRaWAN vai definir a frequência com que envia e processa os downlinks e uplinks.
O que é o LoRaWAN?
O LoRaWAN é um protocolo de comunicação sem fio projetado para dispositivos IoT, desenvolvido e mantido pela LoRa Alliance. Ele usa a tecnologia LPWAN, conhecida pela cobertura de longo alcance, baixo consumo de energia e escalabilidade. Esses recursos tornaram o LoRaWAN uma solução de rede cada vez mais popular.
Cobertura de longo alcance:
A cobertura de longo alcance do LoRaWAN permite que os dispositivos se comuniquem ao longo de vários quilômetros em ambientes rurais ou urbanos. Esse recurso o torna adequado para cenários em que os dispositivos estão espalhados por grandes áreas, como na agricultura inteligente, no monitoramento ambiental e no rastreamento de ativos. Além disso, a cobertura de longo alcance é viabilizada pelo uso da modulação por espalhamento espectral, que permite alcançar vários quilômetros com baixo consumo de energia, o que o torna ideal para aplicações IoT de longo alcance. Ainda assim, o alcance de um dispositivo LoRaWAN pode ser afetado por obstruções e interferências de sinal.
Baixo consumo de energia
Dispositivos alimentados por LoRaWAN normalmente conseguem operar a bateria por longos períodos. A grande duração da bateria é alcançada com o uso da taxa de dados adaptativa (ADR) e do roteamento otimizado de pacotes, o que ajuda a economizar energia e a estender a vida útil da bateria dos dispositivos. O baixo consumo de energia do LoRaWAN o torna uma opção valiosa para implementações IoT em locais remotos ou de difícil acesso, onde trocas ou recargas frequentes de bateria podem não ser viáveis.
Escalabilidade
O LoRaWAN é altamente escalável, pois consegue dar suporte a muitos dispositivos em uma única rede. A escalabilidade do LoRaWAN é possível graças à sua arquitetura de rede em estrela de estrelas, na qual os dispositivos finais se comunicam diretamente com um gateway, e vários gateways podem ser conectados a um servidor de rede central. Isso permite uma comunicação eficiente e confiável entre um grande número de dispositivos e gateways dentro de uma rede LoRaWAN.
Como o LoRaWAN funciona?
Como mencionado, o LoRaWAN opera em uma arquitetura de rede em estrela de estrelas, composta por dispositivos finais, gateways e um servidor de rede central. Os dispositivos finais, como sensores ou dispositivos, se comunicam diretamente com os gateways, que atuam como uma ponte entre os dispositivos finais e o servidor de rede central. O servidor de rede central gerencia a rede e possibilita a comunicação entre os dispositivos finais e o servidor de aplicação. A imagem abaixo representa a arquitetura em estrela de estrelas do LoRaWAN.
A comunicação entre os dispositivos finais, ou nós, e os gateways no LoRaWAN é baseada na técnica de modulação LoRa, que permite a comunicação de longo alcance com baixo consumo de energia.
Os dispositivos finais transmitem dados aos gateways usando a modulação por espalhamento espectral, que permite transmitir os dados em uma ampla faixa de frequência. Os gateways recebem os dados dos dispositivos finais e os encaminham ao servidor de rede central por uma conexão baseada em IP, como Ethernet, Wi-Fi ou rede celular.
Gateways LoRaWAN
Os gateways LoRaWAN são componentes de infraestrutura essenciais que atuam como intermediários entre os dispositivos finais e o servidor de rede. Esses gateways recebem os dados transmitidos pelos dispositivos com LoRaWAN e os encaminham ao servidor de rede por meio de conexões IP padrão (Ethernet, Wi-Fi, rede celular). Um único gateway normalmente cobre vários quilômetros quadrados e dá suporte a milhares de dispositivos finais, dependendo do ambiente e do posicionamento do gateway.
Os gateways LoRaWAN modernos vêm em vários formatos, desde unidades externas de nível industrial, projetadas para resistir a condições ambientais severas, até modelos internos compactos para implementações menores. Muitos gateways contam com recursos multicanal, que permitem escutar várias frequências ao mesmo tempo e receber sinais de inúmeros dispositivos de uma só vez. Na hora de escolher gateways LoRaWAN, alguns fatores a considerar são os requisitos de cobertura, as opções de energia (alimentação pela rede elétrica versus energia solar), a conectividade de backhaul (Ethernet, rede celular, Wi-Fi) e os requisitos ambientais.
Os dispositivos finais transmitem dados aos gateways usando a modulação por espalhamento espectral, que permite transmitir os dados em uma ampla faixa de frequência. Os gateways recebem os dados dos dispositivos finais e os encaminham ao servidor de rede central por uma conexão baseada em IP, como Ethernet, Wi-Fi ou rede celular.
Classes de dispositivos LoRaWAN
O LoRaWAN também dá suporte a várias classes de dispositivos, incluindo Classe A, Classe B e Classe C. Os dispositivos Classe A só conseguem receber mensagens de downlink depois de enviarem uma mensagem de uplink; esse recurso é uma das razões pelas quais os dispositivos Classe A são os mais eficientes em consumo de bateria entre os dispositivos LoRaWAN. Eles abrem duas janelas curtas de recepção em intervalos fixos após cada transmissão de uplink. Se o servidor de rede não responder durante essas janelas, o dispositivo precisa esperar até o próximo uplink para receber um downlink.
Os dispositivos Classe A são adequados para aplicações que não exigem comunicação de downlink frequente ou em tempo hábil, como monitoramento ambiental ou rastreamento de animais. Um exemplo desse tipo de dispositivo seria o STREGA Smart-Valve Lite Edition; sua bateria é especificada para durar mais de dez anos, o que demonstra a longevidade da vida útil da bateria na Classe A.
Os dispositivos Classe B são parecidos com os da Classe A, mas abrem janelas de recepção extras em horários agendados. Eles usam um sinal de baliza periódico da rede para sincronizar seus relógios e abrir “ping slots” para receber mensagens de downlink. Os dispositivos Classe B têm latência menor que os da Classe A, mas consomem mais energia porque passam mais tempo em modo ativo.
Os dispositivos Classe B são ideais para aplicações que exigem comunicação de baixa latência com dispositivos alimentados por bateria, como detecção de incêndio ou de vazamento de água.
Os dispositivos Classe C são os mais simples e têm a menor latência. Eles escutam constantemente por mensagens de downlink da rede, exceto quando estão transmitindo uma mensagem de uplink. Por estarem ativos a maior parte do tempo, são o tipo de dispositivo LoRaWAN que mais consome energia. Os dispositivos Classe C são ideais para dispositivos com alimentação externa que precisam de comunicação contínua com a rede, como tomadas inteligentes ou câmeras de segurança. Muitos dispositivos LoRaWAN podem funcionar como Classe A e C, o que dá a possibilidade de se adaptar à preferência do cliente. Um exemplo de dispositivo que funciona tanto como A quanto como C é o sensor Watteco In’O.
O LoRaWAN é seguro?
A segurança do LoRaWAN é garantida por diversos mecanismos, como criptografia de ponta a ponta, autenticação e verificações de integridade. O LoRaWAN usa o Advanced Encryption Standard (AES) com chave de 128 bits para criptografia de ponta a ponta, o que garante a comunicação segura entre os dispositivos finais e o servidor de aplicação. Além disso, o LoRaWAN também dá suporte à autenticação mútua entre os dispositivos finais e o servidor de rede, impedindo que dispositivos não autorizados acessem a rede.
Como o LoRaWAN se compara a outras opções de conectividade IoT?
O LoRaWAN muitas vezes pode ser a melhor escolha ao comparar opções de conectividade IoT, dependendo das suas necessidades. Redes celulares, como 4G LTE e 5G, oferecem ampla cobertura e altas taxas de dados, mas podem ser caras quando se considera os módulos dos dispositivos, os planos de dados e o consumo de energia. Em contrapartida, o LoRaWAN oferece cobertura de longo alcance com baixo consumo de energia, o que o torna adequado para implementações IoT econômicas em diferentes cenários.
O Wi-Fi é amplamente usado em redes locais (LANs) e oferece altas taxas de dados e baixa latência. No entanto, tem alcance limitado e talvez só seja adequado para comunicação de curto alcance ou conectividade remota. Já o LoRaWAN oferece um alcance muito maior que o Wi-Fi, e seu baixo consumo de energia permite uma vida útil de bateria mais longa.
O Zigbee é um protocolo de comunicação sem fio de baixo consumo e curto alcance, comumente usado em automação residencial e aplicações de controle industrial. Ele oferece redes em malha, o que permite que os dispositivos formem uma rede e se comuniquem entre si. Em contrapartida, o LoRaWAN oferece um alcance maior e uma arquitetura de rede em estrela de estrelas, o que simplifica a implementação e o gerenciamento da rede e reduz os custos de infraestrutura.
O Sigfox é outra opção de conectividade LPWAN para aplicações IoT. Ele usa uma rede proprietária e oferece cobertura global, mas tem limitações em termos de taxas de dados e tamanho das mensagens. O LoRaWAN oferece taxas de dados mais altas e mensagens maiores, o que o torna adequado para aplicações que exigem mais dados. O LoRaWAN também oferece mais flexibilidade em termos de arquitetura de rede e personalização, por ser um padrão aberto.
Como implementar e gerenciar redes LoRaWAN
Para implementar e gerenciar uma rede LoRaWAN, é preciso planejar, configurar, monitorar e escalar com cuidado. Comece identificando os requisitos de rede do seu caso de uso e os provedores de rede, considerando fatores como área de cobertura, número de dispositivos, taxa de dados e necessidades específicas da aplicação. Isso vai ajudar a definir o tipo e a quantidade de gateways, sensores, provedores de rede e demais componentes de rede necessários.
Ao escolher um provedor LoRaWAN, considere fatores como cobertura de rede, confiabilidade e preço. Alguns provedores conhecidos são The Things Network, Senet, Actility e Everynet. A Senet está implantada em mais de 29 estados e cobre mais de 1.300 cidades nos Estados Unidos, atendendo uma população de mais de 55 milhões de pessoas. A Everynet cobre mais de 650 cidades nos EUA, e a imagem abaixo mostra a cobertura LoRaWAN da Everynet nos EUA.
(Fonte: Everynet)
É fundamental avaliar a capacidade de cada provedor e a compatibilidade com os seus requisitos de rede para tomar uma decisão bem informada. É importante escolher não só um provedor que dê suporte à sua rede hoje, mas também no futuro, à medida que você escala e expande seus projetos IoT.
Em seguida, considere gateways LoRaWAN e servidores de rede adequados que atendam aos seus requisitos de rede. Faça um levantamento do local para identificar as melhores posições para os gateways, considerando fatores como altura, linha de visada, interferência e redundância. Depois de instalados, configure e registre os gateways no servidor de rede LoRaWAN definindo os parâmetros de rede e fazendo o registro para autenticação e gerenciamento. A partir daí, configure também ajustes de rede, como taxa de dados, plano de canais e configurações de segurança, de acordo com os requisitos do seu caso de uso. Monitore o desempenho da rede com regularidade e use ferramentas de gerenciamento de rede para resolver problemas e acompanhar a saúde da rede.
À medida que sua implementação IoT cresce, escale e expanda sua rede LoRaWAN adicionando mais gateways, registrando novos dispositivos finais e gerenciando os recursos de rede de forma mais eficiente. Adote medidas de segurança apropriadas para proteger sua rede e seus dados LoRaWAN, incluindo mecanismos de criptografia, autenticação e autorização. Mantenha os dispositivos e o software atualizados com as últimas correções de segurança para se proteger contra possíveis vulnerabilidades.
Implementando sua aplicação IoT com LoRaWAN
A TagoIO pode ajudar você a implementar e gerenciar sua aplicação com a rede LoRaWAN de forma simples. Nossa plataforma oferece ferramentas completas para planejar, configurar, monitorar e escalar sua aplicação. Com a TagoIO, você conecta e gerencia gateways e dispositivos finais com facilidade, configura os ajustes de rede e monitora o desempenho da rede.
Além de fortes recursos de gerenciamento de aplicação, a TagoIO também oferece recursos avançados de segurança para proteger sua rede e seus dados LoRaWAN. Nossa plataforma dá suporte a mecanismos de criptografia, autenticação e autorização para garantir a segurança dos seus dados em trânsito e em repouso. Além disso, com a TagoIO, você atualiza seus dispositivos e seu software com as últimas correções de segurança para se proteger contra possíveis vulnerabilidades.
À medida que sua implementação IoT cresce, a TagoIO facilita escalar e expandir sua aplicação. Nossa plataforma permite adicionar mais gateways e conectar novos dispositivos finais de forma simples e eficiente. Com a TagoIO, você foca no seu negócio principal enquanto cuidamos das complexidades de implementar e gerenciar uma rede LoRaWAN. Fale com a gente hoje mesmo para saber mais sobre como a TagoIO pode ajudar você a alcançar seus objetivos de IoT.
