Tecnologia LoRa:  O que é, distância e teste prático

Com o advento da internet das coisas (IOT), várias tecnologias surgiram para suprir esse mercado bilionário, e a tecnologia LoRa é uma delas.

Mas, afinal, o que é LoRa, como ela funciona e o que deve ser feito para usar  essa tecnologia nas aplicações? Por mais que esse tema seja técnico, explicaremos neste breve artigo de forma bem didática para que você possa usufruir dessa tecnologia robusta em sua empresa ou até mesmo em aplicações domésticas.

Antes de qualquer coisa, precisamos entender o que é a tecnologia LoRa e também que essa tecnologia faz parte de um agrupamento de redes chamada  LPWAN.

Redes LPWAN

LPWAN é uma sigla para Low Power Wide Area Network, que em tradução literal para o português significaria “Rede de área ampla e baixa potência”.

Na realidade, as redes LPWAN são parte de um padrão que visa, justamente, fornecer uma comunicação a longa distância e com consumo mínimo de energia.

Como os objetos que fazem parte da internet das coisas normalmente são alimentados por baterias, o fato de as redes LPWAN consumirem uma quantidade baixíssima de energia se torna ainda mais relevante, e extremamente necessário. Aplicações usando LoRa, podem usar uma bateria simples que dura até 10 anos.

O que é tecnologia LoRa?

A tecnologia LoRa é uma nova forma de comunicação sem fio, semelhante ao Wifi e ao Bluetooth mas que permite comunicações em longas distâncias (tipicamente 3 a 4 quilômetros em área urbana), gastando muito pouco de energia.

O nome dessa tecnologia é, na realidade, uma abreviação para Long Range, que significa “longo alcance” em inglês. Afinal, o principal benefício dessa tecnologia  é a comunicação em longas distâncias.

Com o LoRa é possível fazer transmissões sem fio em ambientes urbanos a distâncias que variam entre 3 a 4 quilômetros. Já em áreas rurais, essa distância pode chegar até 15 quilômetros. Isso usando uma potência muito baixa, da ordem de 20dbm ou 100mW.

Para se ter uma ideia, um rádio LoRa configurado em potência máxima tem picos de 0,12A  contra 2A de um modem que usa tecnologia GSM. Além disso, por possuir uma especificação de camada lógica mais simples (forma de organizar o envio da informação), a tecnologia LoRa se torna ideal para o universo da internet das coisas pois ela é mais flexível.

Da mesma forma que existe Wifi, Bluetooth, Zigbee, etc. LoRa é o nome comercial criado pela LoRa Alliance™ (consócio criado para incentivar o uso da tecnologia)  para essa nova tecnologia que, do ponto de vista técnico, usa uma modulação complexa (forma como a informação é colocada na onda de transmissão sem fio) chamada de Chirp Spread Spectrum (CSS).

Na prática, essa modulação, que é uma técnica de aumento ou diminuição de frequência ao longo do tempo, é extremamente resistente à interferência e permite a recuperação do sinal com muito mais eficiência que outros métodos. Para se ter uma ideia, é possível recuperar um sinal de 20dB abaixo do nível do ruído. Daí o segredo das comunicações LoRa irem tão longe com baixas potências. É como se  uma pessoa estivesse falando na multidão com nível de voz 100 vezes mais baixo que o barulho ambiente (ruído) e mesmo assim você ainda conseguisse entendê-la. É realmente surpreendente.

Veja logo abaixo como organizar diversos dispositivos enviando dados para a nuvem, ou seja, como funciona uma rede LoRa.

Rede LoRa

Uma rede LoRa utiliza uma topologia em estrela, ou seja, cada dispositivo da rede é conectado a um ponto central de acesso. E, na arquitetura de uma rede LoRa, temos alguns elementos básicos que você precisa conhecer:

1 – Módulos ou end-points ou ainda end-nodes: são os dispositivos que estão conectados na rede através dos módulos LoRa, ou seja, sensores de temperatura, fumaça, etc. ou qualquer outro dispositivo que gere alguma informação que você queira transmitir pela rede.
2 – Gateways: são os concentradores responsáveis por receber os sinais enviados pelos end-points e encaminhá-los para a internet. Um único gateway é capaz, em teoria, de receber dados de milhares de dispositivos, desde que estejam em sua área de cobertura que pode variar entre de 3 a 4 quilômetros em áreas urbanas e até 15 km em áreas rurais.
3 – Servidores de Rede: são os responsáveis por receber, armazenar e gerenciar os dados recebidos através dos Gateways.
4 – Servidores de Aplicações: são os responsáveis por prover acesso aos dados para o cliente, na forma de alguma aplicação útil que eventualmente trate e processe os dados recebidos, de acordo com alguma regra de negócios específica.
Fazendo uma comparação simples com a rede de celular, os end-points seriam os aparelhos que usamos, os gateways as torres de celular e o servidor de rede o núcleo da operadora que trata essas informações.

Protocolo LoRaWAN – Camada lógica

É importante observar que LoRa refere-se a parte da camada física ou seja, como é feita a modulação física dos sinais de rádio. Enquanto o LORAWAN é a especificação lógica ou o protocolo desenhado pela LoRa Alliance para servir de padrão para as comunicações usando o LoRa. O protocolo LoRaWAN™ implementa os detalhes de funcionamento, de segurança dos dados, da qualidade do serviço entre outros, servindo também, como padrão para as comunicações com os gateways, visto que nem todos os devices (ou end-points) são fabricados pela mesma empresa. Na prática, é necessário um padrão de comunicação único que permita a interoperabilidade entre diferentes empresas fabricando end-points e gateways no mercado.

Um detalhe importante é que você pode implementar seu próprio protocolo de camada lógica, usando um módulo LoRa. Não é necessário ficar preso ao protocolo deles, usando as vantagens da modulação de camada física que permite longo alcance, mas com a flexibilidade de uma camada lógica mais personalizada à sua aplicação. Claro que nesse caso, é necessário muito mais conhecimento técnico da sua equipe.

MAS AFINAL, A TECNOLOGIA LORA FUNCIONA? QUAL A DISTÂNCIA DO LORA?

Para responder a isso, implementamos um  teste usando o Arduíno e um rádio LoRa facilmente encontrado no comércio pelo código SX1276.

Montamos um transmissor que deixamos fixo na  bancada de testes e um receptor para que pudéssemos levar no carro e testar até onde chegariam as transmissões. O resultado você pode conferir no vídeo abaixo.

 

Aplicações que usam o LoRa para transmitir dados

Antes de explicar o que pode ser feito usando o LoRa como canal de transmissão, é importante ressaltar que não é possível transmitir voz ou vídeo, nem mesmo navegar na internet  com o LoRa, uma vez que já existem tecnologias para isso, e a finalidade do LoRa é fazer longas transmissões de poucos dados (até 240 bytes) usando pra isso pouca energia.

Dessa forma, com o LoRa é possível executar várias aplicações que antes não eram possíveis com tecnologias GSM, Wifi e Bluetooth por exemplo, uma vez que o Wifi e Bluethooth funcionam com alcance reduzido e, outro lado, a rede celular consome muita energia.

Aplicações que transmitem dados usando LoRa

 Sensores de temperatura:

Uma empresa de Brasília desenvolveu um sensor de temperatura integrando um módulo LoRa e monitora câmaras frias, geladeiras, e sistemas de refrigeração diversos e os envia para a nuvem de forma simples e eficiente usando a tecnologia LoRa.

Como uma câmara fria é extremamente lacrada, tecnologias como Wifi e GSM não permitem enviar os dado para a nuvem, ao contrário do LoRa que funciona muito bem para atravessar paredes.

Medidores de energia:

Com o LoRa é possível capturar dados de consumo de clientes residenciais ou mesmo rurais enviá-los para o data center das companhias de energia de forma bem simples sem necessidade de interação humana.

Telemetria para elevadores:

Quando há picos de energia vários elevadores podem param de funcionar e para reiniciá-los é necessário a ida de técnicos até os locais para apertar apenas uma tecla.

Como o LoRa funciona muito bem em ambientes ruidosos como é o caso de um elevador, é possível extrair todos os dados do mesmo, enviar  comandos de forma remota e assim reiniciar o equipamento sem a necessidade da presença do técnico. Isso acarreta economia de tempo e dinheiro para as empresas de manutenção de elevadores.

Uso para otimizar o funcionamento das cidades

Existem empresas que buscam solução para smart cities, ou seja, cidades inteligentes. Isso significa usar a rede LoRa para controlar a iluminação pública, o monitoramento ambiental e vários outros itens da infraestrutura de uma cidade.

Com essa tecnologia, é possível até mesmo gerar relatórios de falhas e otimizar essa infraestrutura corrigindo mais rapidamente seus problemas.

Além disso, é possível controlar também as estradas, gerenciar autovias, usar sensores para medir a temperatura das estradas, saber quantas vagas estão livres em um estacionamento, entre outras funções.

Portanto, a tecnologia LoRa possibilita a transmissão de dados a todo instante, através de milhões de objetos conectados. O esperado é que cada vez mais essas redes se tornem populares, ajudando empresas, instituições e pessoas a otimizar o uso da IoT, revolucionando nosso estilo de vida.

Uma rede de internet das coisas fundada no Brasil

A Nestin é uma operadora de internet das coisas fundada no Brasil com o objetivo de conectar todo e qualquer dispositivo à nuvem.

A Nestin criou um módulo chamado Easy Connect, que você pode usar para conectar sensores e dispositivos diversos e, de forma automática os dados são disponibilizados na sua tela sem que você precise ser engenheiro de telecom.

Saiba mais em https://www.nestin.com.br

Orlan Almeida

Paixão pela área de Internet das Coisas. Engenheiro de Telecomunicações, com 10 anos de experiência em desenvolvimento de soluções de IoT com as tecnologias LORA, SIGFOX, GSM, RFID, BLUETOOTH, ISM, GPS e etc. Experiência de mais de 10 anos com gestão de projetos de tecnologia e de equipes multidisciplinares. Consultor para homologação de produtos junto à Anatel e outros órgãos reguladores. Especialista em pesquisa de opinião, tratamento de dados e análise estatística (+ de 15 anos atuando na área). Empreendedor com primeiro exit em 2012. Entusiasta e apoiador do ecossistema de startups em geral, ministrando palestras, mentorias e consultorias no ambiente de inovação.