Conectando o campo com a tecnologia LoRa

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No artigo anterior, escrevi sobre as redes 5G e os seus impactos na conectividade do campo. A tecnologia 5G é a próxima geração de redes celulares. Ela promete alta velocidade e estabilidade para as suas redes. No entanto, a previsão é que a sua instalação e funcionamento efetivo ainda demorem, especialmente em áreas menos populosas, como é o caso da maior parte das propriedades agrícolas.

A conectividade do campo apresenta problemas devido ao fato de muitas áreas ainda não serem cobertas pelas redes celulares. Além disso, a utilização de equipamentos com alto consumo de bateria inviabiliza a instalação de grande quantidade de sensores (tanto pelo custo, como pela necessidade de constante recarga de energia).  O alto consumo de bateria pode ser comparado à necessidade que temos de recarregar os nossos celulares quase que diariamente. No campo, dispositivos que necessitem de recarga quase que diária podem inviabilizar grande parte dos projetos de tecnologia no campo.

Assim, embora introdução das redes 5G deva gerar um impacto considerável em relação à transformação digital do campo, existem outras tecnologias que já estão em andamento e que visam melhora das condições para essa transição— afinal, a revolução da transformação digital no meio agrícola já teve início e vem progredindo gradativamente.

Dentre as tecnologias que precedem ou até mesmo concorrem com as redes 5G na transformação digital agrícola, destacamos as redes do tipo LPWAN (Low Power Wide Area Network, Tecnologia de Rede de Áreas Amplas e uso de baixa potência). Essas redes surgiram para conectar milhares de coisas (tais como sensores e dispositivos) de menor valor agregado a redes de melhor cobertura, menor custo de conexão e menor consumo de bateria — ampliando, desta forma, o leque de soluções de Internet das Coisas (ou IoT, Internet of Things).

A Internet das Coisas é uma rede de objetos com identificador único e capacidade computacional para coletar informações do seu contexto local, compartilhá-las e realizar ações sem a necessidade da interação humana. No agronegócio, esses objetos podem ser desde sensores que coletam informações sobre o plantio ou dispostos em máquinas tais  como tratores, colheitadeiras ou irrigadores para coleta de dados, acionamento da operação ou mesmo rastreamento das operações.

As redes LPWAN permitem a conexão desses objetos e sensores no campo. Além disso, elas respondem à maior parte dos problemas de conectividade agrícola, como baixa cobertura de longas distâncias e consumo excessivo de bateria nos equipamentos conectados, permitindo o desenvolvimento de uma estrutura mais simples e barata para coleta de dados e troca de informações no campo.

Dentre as redes LPWAN existentes, uma das tecnologias que tem se destacado comercialmente é a tecnologia LoRa (Long Range, Alcance Amplo) com o protocolo LoRaWAN (LoRa Wide Area Network, Rede de área ampla de LoRa). No corrente artigo, o foco vai ser na tecnologia LoRa, uma das alternativas mais utilizadas quando se pensa em Internet das Coisas em geral, mas que, no campo, tem uma grande possibilidade de utilização devido às características de baixo consumo de energia e maior alcance das redes.

Qual o significado de LoRa e LoRaWAN?

LoRa é um tipo de modulação para transmissão de dados que faz parte da camada física da tecnologia de comunicação sem fio. Essa tecnologia foi desenvolvida para ser utilizada em comunicações de baixa taxa de transferência de dados, baixo consumo de energia e longas distâncias. A empresa Semtech é proprietária desta tecnologia. A Semtech fornece os chips de rádio LoRa, enquanto a LoRa Alliance — uma associação de empresas que  promove o desenvolvimento e uso de redes LoRa — cuida da padronização do protocolo LoRaWAN.

LoRaWAN é uma especificação aberta de um protocolo de redes de grandes áreas que utiliza a tecnologia LoRa e oferece comunicação bidirecional entre dispositivos, suporte a criptografia de ponta-a-ponta, mobilidade e serviços de localização. Assim, LoRa seria a camada física para transmissão de informação e o LoRaWAN, o protocolo de redes para prover a interoperabilidade entre os equipamentos.

A arquitetura LoRaWAN é definida em estrela, isto é, os dispositivos integrados à rede são conectados diretamente ao ponto de acesso, de modo a otimizar o consumo de energia na comunicação e, ao mesmo tempo, permitir atingir longas distâncias. A topologia em estrela elimina a necessidade de implementação de um complexo protocolo de roteamento da malha sem fio.

Figura 1: Desenho da arquitetura LoRa/LoRaWAN

A arquitetura básica da rede LoRaWAN, compreende:

  • Módulos (ou End nodes): sensores, alarmes, equipamentos e monitores que registram informações. São dispositivos conectados a baterias que normalmente ficam localizados na ponta do sistema, ou seja, onde os dados são coletados;
  • Gateways: dispositivos que desempenham papel de intermediários entre os módulos e os Servidores de Rede. Normalmente estes são os dispositivos que estão conectados à rede;
  • Servidor de Rede: dispositivo que realiza a lógica do protocolo LoRaWAN;
  • Servidor de Aplicação: dispositivo no qual a lógica do serviço é implementada, de acordo com as informações recebidas dos módulos.

Em uma arquitetura básica, os Módulos (dispositivos com sensores) enviam os dados para os Gateways. Os Gateways enviam as informações recebidas pelos sensores aos Servidores de Rede e o conjunto de informações recebidas chega aos Servidores da Aplicação, que definem quais as ações a serem tomadas pelos módulos.

Um dispositivo LoRa consegue oferecer ótima relação entre potência de transmissão, sensibilidade do receptor em longas distâncias, baixo custo do hardware e uma baixa taxa de inconsistência na leitura das informações transmitidas. Em aplicações de IoT no campo, estas são características que auxiliam na implantação da conectividade rural. Dessa forma, sensores (que normalmente não teriam rede) podem ser dispostos em diversos locais remotos (urbanos e rurais), com uma transmissão de dados eficiente, segura e com capacidade de oferecer aos dispositivos a conectividade da internet através dos Gateways.

Ou seja, a tecnologia é bastante adequada para que os dados atinjam distâncias consideráveis em áreas extensas, consumindo pouca energia para transmissão. Contudo, para casos em que o volume de informação transmitido seja critico à aplicação, talvez LoRa não seja a melhor opção.

As taxas de transmissão de LoRa variam de 0,3 kbps a 50 kbps— normalmente, estas taxas seriam utilizadas apenas para envio de mensagens de texto; voz, video e outros tipos de informações precisariam de maior taxa de daos. Estas baixas taxas de transmissão, por outro lado, maximizam a vida útil da bateria dos dispositivos finais (evitando a necessidade de recargas) e da capacidade geral da rede.

Portanto, a modulação LoRa alia duas importantes demandas para a transformação digital no campo: baixo consumo de energia para longos períodos de operação com baterias e grande extensão de alcance para sensores remotos os quais não necessitam transferir grandes volumes instantâneos de dados.

Vantagens das redes LoRa

As redes LoRa tem algumas vantagens em relação à utilização da rede 4G das operadoras móveis, sem que haja adaptações:

  • Longo alcance. Em campo aberto, pode variar de 2 Km a 50 Km;
  • Baixo consumo de energia em dispositivos alimentados por pequenas baterias. Isso faz uma grande diferençano preço e tecnologia necessários no ponto final da estrutura. O baixo consumo de energia é muito importante, visto que a manutenção de vários dispostivos no campo, em que haja necessidade de recarga ou troca de baterias, inviabilizaria vários projetos;
  • Fácil instalação. Os dispositivos normalmente são pequenos e podem ser alimentados com pequenas baterias;
  • Baixo custo de implantação. Uma estação base (Gateway) pode receber o sinal de centenas de dispositivos, com uma ampla cobertura.

As vantagens descritas acima, em vários casos (mas principalmente no meio agrícola), permitem ampliar a possibilidade de conectividade no campo. Existem algumas desvantagens, entretanto, tais como a baixa taxa de transmissão de dados, apesar da maior distância permitida.

Usos de LoRa no Agro

Em termos de processos agrícolas e integração à Internet das Coisas, a conectividade no campo ainda é um dos grandes gargalos para a efetiva revolução tecnológica na agricultura e pecuária e dentro deste conceito, LoRa é uma das alternativas de conexão.

Podemos pensar em diversos tipos de sensores que podem ser utilizados no campo, em estufas ou para rastrear um equipamento agrícola. Todos esses sensores, como medidores de umidade do solo e ar, de temperatura, PH, irradiação solar e anemômetros, não necessitam enviar grandes volumes de informação instantaneamente. Logo, redes LoRa são uma ótima alternativa para digitalização no campo, auxiliando em processos de tomada de decisão baseada em dados, redução de perdas e aumento de produtividade.

Por exemplo, alguns sensores de umidade ficariam no campo, em locais que normalmente não teriam conexão de dados. Estes sensores (os Módulos, dentro da arquitetura) utilizam a tecnologia LoRa para enviar informações aos Gateways da rede. Estes Gateways se comunicam com a rede e repassam as informações obtidas pelos sensores aos servidores de rede. Os servidores roteiam as informações para os Servidores de Aplicação, que definem o que será feito com os dados recebidos dos sensores.

Todo o processamento é feito nos servidores de aplicação. Com as informações recebidas, os Servidores de Aplicação podem enviar sinais que transitam pela rede LoRa em sentido inverso, até chegar a um eventual Módulo cuja função seja irrigação. Esse sinal ativa o Módulo que realiza a irrigação de acordo com as necessidades extraídas dos dados.

Em termos da utilização de LoRa na agricultura, vemos que a tecnologia permite acrescentar vários usos em termos de digitalização do campo. Alguns exemplos:

  • Aquisição de dados

Os dados coletados — como umidade do solo e ar, temperatura, PH, irradiação solar e coordenadas de GPS — permitem uma análise quantitativa de variáveis ambientais e criação de séries históricas de dados. Logo, o processamento dos dados brutos permite identificar padrões e gargalos para auxiliar nas tomadas de decisões em processos agrícolas.

  • Comunicação entre máquinas

LoRa permite a comunicação entre as máquinas no campo, para rastreamento e localização. Desta forma, seria possível monitorar o desempenho da operação com informações de telemetria, como valores de temperatura do motor, velocidade, horas em funcionamento e as coordenadas do GPS no momento do envio das informações.

  • Comunicação entre funcionários

Outra possibilidade é a comunicação entre trabalhadores dentro da propriedade, sem usar a rede de operadoras de celular. Para comunicações simples, LoRa pode ser uma opção muito interessante, pois pode atuar através de longas distâncias de forma independente de operadoras. Esse exemplo foi explorado em um estudo realizado pelo Venturus, descrito a seguir.

Um estudo de LoRa

O grupo de inovação do Venturus executou um projeto para aprendizado e conhecimento da atuação dos equipamentos LoRa. Um dos clientes do Venturus solicitou uma análise da comunicação de funcionários dentro de uma rede LoRa, a fim de verificar a eficiência desta comunicação em um ambiente de campo simulado.

O projeto obteve sucesso na troca de mensagens, sendo que um dos principais problemas foi o tratamento de mensagens não confirmadas no recebimento. Como a própria tecnologia já indica, as mensagens atingiram distâncias longas, com a restrição de que a taxa de transferência não era das mais altas. Ou seja, a tecnologia é bastante adequada para que os dados atinjam distâncias consideráveis em áreas extensas, consumindo pouca energia para transmissão.

Conclusão

Enquanto as redes 5G não estão disponíveis no campo, a tecnologia LoRa é uma das boas alternativas existentes, pois tem custo menor de implementação para cobertura de áreas extensas, visto que não há necessidade de licenciamento da banda de operação. Ela também é ótima para operar em dispositivos que utilizam baterias, devido ao baixo consumo de energia para transmitir informação. Outro fator importante é a baixa complexidade dos dispositivos de borda, de forma a permitir o desenvolvimento de uma estrutura mais simples e barata para coleta de dados e automatização no campo.

A tecnologia LoRa permite o desenvolvimento de vários projetos no campo em que a quantidade de dados a serem transmitidos pelos sensores nas bordas finais da estrutura não seja muito grande. Ou seja, em casos em que vídeos, imagens pesadas e outras informações precisem ser transmitidas até o Servidor da Aplicação, talvez o LoRa ainda não seja uma solução. Mas, em casos que informações mais sucintas (textos e medições, entre outros dados) vão ser enviados, as redes LoRa podem ser implementadas com bom desempenho.

O Venturus atua com projetos de transformação digital na sua essência e também tem o agro como um dos seus focos de negócio. As redes LoRa são uma das boas alternativas de conexão no campo e com isso também é uma das alternativas em que o Venturus atua, acompanha e executa tecnologicamente os seus projetos focados no campo. O Venturus acompanha a evolução das redes 5G, mas não deixa de acompanhar e participar da evolução das tecnologias de conexão já disponíveis no agronegócio.

 

** Este texto foi escrito a quatro mãos com o grande auxílio do Ventureiro: Igor Livio Figueiredo Moreira. Igor Livio e João Durante participaram liderando projeto da prova de conceito de comunicação LoRa e com os conhecimentos trazidos junto à execução deste projeto de inovação.

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