• 19 de janeiro de 2021
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Protocolos de IoT: Qual é o melhor para o seu negócio?

Vocês já devem ter ouvido falar em IoT (Internet of Things), a famosa “Internet das Coisas“. IoT 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, mas sem realizar a análise dos dados diretamente no aparelho — 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 ideiais 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. As principais “variáveis” para dimensionar e chegar à solução IoT ideal para cada situação — considerando custos e performance — são: duração da bateria, taxa de transmissão, responsividade, área de cobertura, escalabilidade.

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.

A conectividade é um desafios de IoT

Alguns protocolos usados atualmente para comunicação de IoTs:

• WiFi
• Celular (2G, 3G e 4G)
• 6LoWPAN
• Bluetooth
• WirelessHART
• Zigbee
• MQTT IoT
• CoAP
• DDS
• Sigfox
• LoRa
• CaTM
• NB IoT
• Z wave

Esses são alguns exemplos dos protocolos que existem hoje e que permitem conectar um dispositivo IoT à Internet. No Brasil, temos algumas dessas redes já implementadas e operacionais:

• WiFi
• Celular
• LoRaWAN
• Sigfox
• ZigBee
• WirelessHART
• Bluetooth
• 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 km quadrados;
• 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:

• Longa duração da bateria dos dispositivos, através do envio de mensagens curtas, limite de envio e recebimento de mensagens por dia, não há troca de mensagens com a rede, baixa potência de transmissão do IoT;
• Baixo custo de software e hardware, através da falta de troca de mensagens com a rede, adoção da Ultra Narrow Band e baixa potência de transmissão do IoT;
• Baixo custo de conexão, porque o protocolo usa as frequências não licenciadas para a transmissão. No Brasil a frequência adotada é 905.2MHz para downlink e 902.2MHz para Uplink. Com uma taxa de transmissão de 600 bit/s de downlink e Uplink;
• Eficiência no uso do espectro, graças a mensagens curtas, limite diário de envio e recebimento de mensagens, tecnologia Ultra Narrow Band e um pseudo acesso randômico à camada física da rede;
• Rede de área ampla de longo alcance, através do uso da tecnologia Ultra Narrow Band e baixa potência de transmissão do IoT.

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 10km em áreas urbanas e 40km 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.

A rede LoRaWAN utiliza as bandas ISM (Industrial, Scientific and Medical) para transmitir os dados dos IoTs. Essas bandas são frequências não licenciadas que variam entre 6MHz até 244GHz (não sequencialmente e, sim, em intervalos definidos).

No Brasil, a frequência adotada para a transmissão dos dados foi o intervalo de 902MHz-928MHz, exceto por algumas as frequências desse intervalo que são de uso celular. Nas frequências adotadas pelo Brasil, as taxas de transmissão são entre 980bps-21.9Kbps (download e upload).

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 128s 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. Por exemplo, sensores, automação de máquinas etc.

O alcance de uma rede LoRaWAN é de aproximadamente 5km em áreas urbanas e de 20km em áreas rurais. A rede LoRaWAN é construída pela LoraAlliance. Logo, 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. Por exemplo, um sistema de monitoramento e coleta de dados em tempo real.

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 1.6-10s. 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, por sua vez, 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 (como VIVO, CLARO, TIM, OI, ALGAR etc.), 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 (que utiliza frequências não licenciadas).

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 (Agência Nacional de Telecomunicações).

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.

Para que um produto que utilize essas frequências licenciadas possa ser comercializado, ele precisa atender a essas regras. Logo, antes de lançar qualquer produto no mercado brasileiro, o produto deve passar pela homologação.

Conclusão

Aqui no Venturus, nós conseguimos fazer esses testes da ANATEL e podemos ajuda-lo antes de você submeter os seus produtos a homologação. O laboratório 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.