Introdução
À medida que as indústrias buscam soluções econômicas com alcance estendido e suporte a dispositivos, a conectividade que atenda a essas condições tornou-se uma necessidade. Tal demanda levou ao surgimento do LPWAN (Rede de longa distância de baixa potência) e tecnologia LoRaWAN. LoRaWAN é uma rede de área ampla de baixo consumo de energia (LPWAN) protocolo que visa permitir que dispositivos se conectem sem fio em grandes distâncias à Internet. Suas principais características — cobertura de longa distância e uso mínimo de energia — são adequadas aos requisitos de comunicação sem fio de Dispositivos IoT que são basicamente operados por bateria.
O que é LoRaWAN?
LoRaWAN é um tipo de tecnologia de comunicação sem fio que se enquadra na LPWAN (Rede de área ampla de baixo consumo de energia). Isso significa que ele foi projetado para usar energia mínima e permitir transmissão de longo alcance, tornando-o ideal para aplicações IoT em larga escala. Essencialmente, LoRaWAN usa tecnologia de modulação LoRa, que é uma forma específica de implementar LPWAN.
LoRa, em sua essência, é uma técnica de modulação na camada física que emprega Chirp Spread Spectrum (CSS) tecnologia para codificar informações. Ele especifica várias configurações de comunicação, incluindo largura de banda, frequência de transmissão, taxa de codificação, e fator de propagação. Construindo em LoRa, A tecnologia LoRaWAN define o protocolo para comunicação entre dispositivos de nó final IoT e rede entradas, ajudando a conectar dispositivos à Internet de maneira transparente.
Aulas LoRaWAN
Classe A
A Classe A opera como um sistema assíncrono onde os nós finais podem transmitir mensagens para o gateway sempre que necessário e então entrar em estado inativo até a próxima transmissão.. Esta configuração utiliza intervalos de tempo com eficiência em um sistema multicanal
Classe B
Um método para enviar mensagens para nós alimentados por bateria, onde o gateway emite um farol a cada 128 segundos. Este beacon permite que todas as estações base LoRaWAN sincronizem seu tempo usando sinais de satélite GPS.
Classe C
Permite que os nós ouçam e transmitam constantemente mensagens de downlink a qualquer momento. Esta classe é geralmente empregada em aplicações alimentadas por CA, pois exige uma energia considerável para manter o nó totalmente ativo e o receptor sempre operacional..
Como funciona o LoRaWAN
A modulação LoRa codifica dados em sinais sem fio usando uma técnica chamada chirp spread spectrum. Aumentando a taxa de modulação de frequência linear, o sinal se espalha por várias faixas de frequência, permitindo que ele viaje distâncias maiores sem muita interferência. LoRa emprega uma modulação de espectro espalhado proprietária baseada nesta tecnologia chirp. Por exemplo, dispositivos próximos ao gateway usam um fator de espalhamento menor para transmitir dados rapidamente devido à sua proximidade, enquanto dispositivos mais distantes usam um fator de propagação mais alto para estender o alcance do sinal, mesmo que isso diminua a velocidade de transmissão.
Dispositivos IoT (como sensores) na rede LoRaWAN coleta dados periodicamente ou sob demanda. Esses dispositivos usam o módulo LoRa integrado e a tecnologia de modulação LoRa para transmitir sem fio os dados coletados para um gateway LoRaWAN próximo, que então carrega os dados para o servidor de rede LoRaWAN. Após desduplicação e verificação dos dados, e processamento de funções como verificação de acesso à rede de dispositivos e autenticação de identidade, os dados serão encaminhados para o servidor de aplicativos, que geralmente é um sistema personalizado pelo usuário, para facilitar a análise e armazenamento dos dados recebidos, e fazer o processamento correspondente, como iniciar alarmes e gerar relatórios.
Principais recursos e benefícios do LoRaWAN
Longo alcance e Cobertura:
A tecnologia de modulação LoRa sob LoRaWAN permite um alcance de transmissão de vários quilômetros, até dezenas de quilômetros. Na maioria dos casos, LoRaWAN alcança cerca de 2-5 alcance de km em uma cidade, mas na área rural aberta pode ultrapassar 15 km.
Baixo consumo de energia:
O uso de sistemas LoRaWAN é acompanhado de baixo consumo de energia, portanto, tornando esses sistemas preferíveis para dispositivos de baixa potência ou alimentados por bateria. Isso implica que esses dispositivos não exigem baterias de substituição após alguns meses durante anos, um recurso importante para sensores de monitoramento remoto e rastreadores de ativos localizados em áreas de difícil acesso.
Escalabilidade:
Um único gateway LoRaWAN é capaz de lidar simultaneamente com milhares de dispositivos, apoiando assim vastas conexões. Usando a taxa de dados adaptativa (ADR) função, A rede LoRaWAN, também conhecida como gerenciamento de recursos de rede de área ampla de baixo consumo, visa a comunicação entre dispositivos de forma mais eficiente..
Hardware econômico:
Iniciar uma rede LoRaWAN é de baixo custo, pois não requer muitas instalações. A infraestrutura de código aberto e os recursos de software tornam a adoção mais econômica.
Conectividade Global:
LoRaWAN está aberto a todos os usuários, conforme declarado pela LoRaWAN Alliance. Dispositivos e redes podem operar em harmonia sem a necessidade de um provedor comum, oferecendo assim melhor integração entre marcas e setores, e mais possibilidades em aplicá-los.
Casos de uso comuns de LoRaWAN
1. Cidade inteligente
A tecnologia LoRaWAN pode ajudar na conexão de diferentes dispositivos IoT, sensores, medidores inteligentes e outros dispositivos presentes em cidades inteligentes, fornecendo uma rede de grande área. Dispositivos e redes IoT podem ser incorporados à infraestrutura existente das cidades de uma forma que facilite a automação de processos e a supervisão e controle de sistemas, o que, por sua vez, leva à redução dos custos operacionais. Aqui estão algumas ideias que podem ser executadas em cidades inteligentes:
- Iluminação pública inteligente: Controlar, gerencie e monitore as luzes das ruas da cidade a partir de uma ampla rede LoRaWAN com a capacidade de regular o brilho com base no fluxo de tráfego e na iluminação externa para reduzir os custos de energia.
- Gestão de estacionamento: Sensores LoRaWAN rastreiam a ocupação de vagas de estacionamento e informam aos motoristas a disponibilidade de vagas de estacionamento, aliviando assim os problemas de estacionamento e fluxo de tráfego.
- Monitoramento da qualidade do ar: Empregar sensores LoRaWAN para monitorar a concentração de diversos poluentes na atmosfera em toda a cidade com o objetivo de controlar a poluição.
2. Agricultura Inteligente e Suas Ferramentas Modernas
As operações agrícolas estão adaptando o uso de IoT e aplicações LoRaWAN externas nas áreas específicas da agricultura inteligente. Usando a rede LoRaWAN, sensores que comunicam em tempo real todos os dados que envolvem a cultura, pecuária, equipamento, ambiente físico etc., permitindo ao agricultor fazer alterações apropriadas nos níveis de produção e, como tal, melhorar a qualidade da produção.
3. Internet Industrial das Coisas
A tecnologia LoRaWAN também é efetivamente incorporada em ambientes operacionais industriais. Monitoramento automatizado, segurança, e a gestão de ativos permitem respostas mais rápidas dos operadores. A área de logística e armazenamento inteligente, por exemplo, as redes LoRaWAN são melhores do que antes no fornecimento de cobertura mais ampla e conexões com menos interferências.
4. Utilidades e medição inteligente
Medidores inteligentes (para eletricidade, água, etc.) permitir monitoramento remoto e em tempo real, reduzindo erros e melhorando a eficiência.
5. Saúde e wearables
Os wearables de saúde baseados em LoRaWAN são projetados para monitorar pacientes em hospitais de forma contínua e confiável, residentes de cuidados a idosos, ou qualquer pessoa que precise de monitoramento em tempo real dos sinais vitais.
Arquitetura de rede LoRaWAN
1. Redes LoRaWAN públicas e privadas
Uma rede LoRaWAN pública é uma rede LoRaWAN de propriedade de terceiros, principalmente uma operadora de telecomunicações ou um provedor de serviços de rede, que cobra uma taxa dos usuários que conectam dispositivos à rede. Uma Rede LoRaWAN Privada é uma rede que um indivíduo e/ou uma empresa constrói e opera e principalmente, controlado por eles, e muitas vezes geograficamente limitado em área. Esse tipo de conectividade geralmente oferece melhores disposições de segurança e privacidade de dados.
2. Modelos Híbridos
Os princípios de uma LoRaWAN pública e privada podem ser combinados de modo que as necessidades de conforto do usuário em uma rede privada e cobertura sejam atendidas por meio de uma rede pública, mas mais segura. Os usuários podem escolher a rede pública ou a rede privada e até as duas ao mesmo tempo dependendo da situação.
3. Implantação de rede
Avalie a cobertura da área, taxa de dados alcançável e energia elétrica gasta pelas redes LoRaWAN, em um escopo ditado pelos requisitos do projeto. Depois de estabelecer o número de gateways necessários na área de cobertura e nos locais de implantação, construir a topologia da rede (normalmente uma topologia estrela de estrelas). Escolha e monte os pontos de acesso LoRaWAN e outros dispositivos adequados. Depois que a implantação do hardware for concluída, definir os parâmetros dos gateways, configurar o servidor de rede, e comece o teste e a verificação. Uma vez concluída a implantação do projeto, realizar monitoramento e manutenção do equipamento regularmente.
Recursos de segurança LoRaWAN
Criptografia ponta a ponta
A criptografia ponta a ponta protege toda a transmissão do dispositivo para o servidor de aplicativos. Geralmente tem duas camadas de mecanismo de criptografia, Criptografia da camada de rede e criptografia da camada de aplicativo do LoRaWAN. As duas técnicas de criptografia acima produzem duas chaves diferentes NwkSKey e AppSKey. Isso significa que todas as informações serão criptografadas durante a transmissão, desde o momento em que o dispositivo envia os dados até que os dados cheguem ao servidor da aplicação.. Portanto, mesmo se o gateway ou provedor de serviços de rede intermediário receber o pacote de dados, eles não poderão ver ou alterar os dados.
Autenticação de dispositivo
LoRaWAN aproveita um mecanismo de autenticação de dispositivo muito rigoroso para não permitir a entrada de dispositivos não autorizados na rede. A adesão à rede LoRaWAN tem duas abordagens principais.
OTAA (Ativação Over-the-Air)
Esta opção é a mais segura contra todos os ataques. Em qualquer momento, um dispositivo se conecta a uma rede LoRaWAN, um novo par de chaves (uma chave de sessão de rede NwkSKey e uma chave de sessão de aplicativo AppSKey) é formulado. Essas chaves são criadas com base no DevEUI do dispositivo e no AppKey. Usando OTAA, toda vez que um dispositivo se conecta à rede, a identidade do dispositivo é verificada, e desta maneira, está confirmado que nenhum dispositivo não autorizado é permitido na rede.
PA (Ativação por Personalização)
Nesta técnica, as chaves do dispositivo estão prontas antes da implantação do dispositivo. A ABP não exige que as chaves sejam geradas novamente, mas fixas e incapazes de alterar as limitações da segurança oferecida a tornam inferior à OTAA.
Não importa se é OTAA ou ABP, os mecanismos de autenticação de dispositivos do LoRaWAN evitam qualquer comunicação indesejada na rede a partir de dispositivos não autenticados.
Gerenciamento de Chaves
A criptografia é empregada em todas as interações entre dispositivos e servidores e tais processos de criptografia são implementados usando diferentes chaves. Existem principalmente três recursos principais de gerenciamento empregados pela rede LoRaWAN.
- AppKey é usado na geração de chaves de sessão em um processo OTAA. Quando um dispositivo de usuário entra pela primeira vez na rede, esta chave ajuda a criar uma chave de sessão de rede e uma chave de sessão de aplicativo.
- NwkSKey é a chave que ajuda a criptografar os dados de comunicação entre os dispositivos e os servidores da rede.
- AppSKey é a chave que criptografa os dados do aplicativo entre dispositivos e servidores de aplicativos.
Deve-se notar que o gerenciamento de chaves no LoRaWAN deve atender aos seguintes requisitos:
- Singularidade: Cada dispositivo possui sua própria chave, que não é a mesma de outros dispositivos, portanto, a comunicação do dispositivo não sofrerá interferência de outros dispositivos..
- Atualização chave: O mecanismo OTAA ajuda os dispositivos a criar novas chaves sempre que ingressam em uma nova rede e isso minimiza os riscos representados pelo uso de chaves estáticas por longos períodos.
- Segurança de armazenamento de chaves: Dispositivos, gateways e servidores devem proteger essas chaves de forma eficaz porque um invasor pode desejar obter essas chaves para descriptografar as informações que estão sendo transmitidas.
LoRaWAN vs.. Outros protocolos IoT
LoRaWAN vs.. NB-IoT
Cobertura: LoRaWAN oferece um alcance de comunicação estendido, portanto, mais vantajoso em regiões rurais ou do interior, onde o alcance pode ser de até 15 quilômetros. Em contraste, NB-IoT tem um raio de cobertura limitado de cerca de 10 quilômetros, mas é mais eficaz em cidades e ambientes com muitas estruturas.
Consumo de energia: O consumo de energia do LoRaWAN é bastante baixo, portanto as baterias dos dispositivos podem durar vários anos, o que é ideal para a colocação de tais dispositivos por longos períodos.. NB-IoT também é significativamente eficiente em termos energéticos, mas a duração da bateria é mais curta devido à quantidade de dados transmitidos.
Cenários de aplicação: Devido ao longo alcance e baixa transmissão de dados, LoRaWAN se adapta bem a casos de uso de aplicativos, como agricultura inteligente, monitoramento ambiental e muito mais. Por outro lado, o NB IoT é mais aplicável em casos onde o volume de dados é intenso e a penetração do sinal é profunda, como medidores inteligentes e soluções para cidades inteligentes..
LoRaWAN vs.. Wi-Fi/Bluetooth
Faixa: A distância de comunicação via LoRaWAN pode chegar a vários quilômetros, enquanto a de Wi-Fi e Bluetooth varia entre alguns metros e cerca de cem metros no máximo.
Durabilidade da bateria: Devido ao baixo poder de transmissão e ao baixíssimo volume de dados que são transmitidos pelo LoRaWAN, a bateria do dispositivo de trabalho pode ser longa o suficiente para suportar vários anos de uso ativo. Pelo contrário, dispositivos que empregam tecnologias Wi-Fi e Bluetooth incluem maior consumo de energia e, portanto, os dispositivos precisam ser carregados ou substituídos dentro de um período de tempo.
Taxa de transferência de dados: LoRaWAN foi projetado para transmissão de baixa taxa de dados e sua taxa de transferência é limitada a apenas alguns pacotes de dados, mesmo quando a latência não é um problema, enquanto as tecnologias Wi-Fi e Bluetooth alcançam maior rendimento de dados e podem, portanto, ser aplicadas em contextos onde são transmitidos grandes volumes de dados.
Escolhendo os produtos e soluções LoRaWAN certos
Compreendendo suas necessidades:
Para colher o máximo de benefícios da implantação de uma infraestrutura LoRaWAN, as seguintes considerações devem ser levadas em conta.
- Faixa: Embora LoRaWAN possa suportar cobertura sem fio de longo alcance, a qualidade do sinal é limitada pelo terreno geográfico e pelos edifícios. Seria importante considerar o local de implantação específico e planejar a disposição do gateway.
- Vida útil da bateria: Pense em quanto tempo você espera que seu dispositivo LoRaWAN funcione e escolha um dispositivo cuja duração da bateria e consumo operacional de energia pareçam bons.
- Taxa de transferência de dados: Determine se você está interessado em transmissão de dados simples e pouco frequente ou o oposto, muitos dados transmitidos com frequência. LoRaWAN foi projetado para uso em ambientes onde a transmissão de dados não é tão alta.
- Abordagem econômica: Há uma vantagem de custo muito significativa para a rede LoRaWAN quando ela é implementada em uma ampla área geográfica. Por outro lado, com base no tamanho do projeto e nas entradas do projeto, como custo do equipamento, custo de gateways e manutenção de rede, selecione a opção certa.
- Escalabilidade: Se a sua iniciativa exige uma ampla variedade de conectividade de dispositivos, ou você prefere conectar dispositivos facilmente nos próximos anos, então LoRaWAN é a opção mais apropriada.
Tipos de dispositivos LoRaWAN:
Os dispositivos LoRaWAN vêm em vários formatos, como gateways, sensores, etiquetas, módulos, etc.. O mais recente Sensor de temperatura e umidade MST01 LoRaWAN® por Minew, utiliza tecnologia LoRaWAN para ir além das restrições impostas pela área de cobertura com sensores tradicionais e ainda reduzir o consumo de energia do dispositivo. Este sensor é de grande importância na gestão de sistemas inteligentes de logística e transporte de armazéns.
Principais fornecedores de LoRaWAN:
Mais fornecedores na indústria de IoT estão apresentando produtos e soluções LoRaWAN. Minas é uma das empresas líderes nesta área, especializada em soluções de hardware IoT e ostentando 200 patentes e certificados de originalidade. Você pode trabalhar com o Minew para criar uma solução de hardware IoT sob medida para suas necessidades.
O futuro do LoRaWAN
1. Aplicações emergentes: Com o aprimoramento da comunicação via satélite, LoRaWAN pode usar monitoramento de sensor em aplicações como detecção de fumaça em áreas florestais não visíveis ou detecção de temperatura em bóias oceânicas, etc.. Dados provenientes de sensores LoRaWAN à medida que ocorrem interações, cidades inteligentes serão capazes de implementar estratégias eficazes de gestão de transportes.
2. LoRaWAN e 5G: Soluções para automação industrial incorporam 5G para permitir operação remota de equipamentos usando dados de sensores LoRaWAN.
3. LoRaWAN no ecossistema global de IoT: O mercado de aplicações da tecnologia LoRaWAN está apresentando um crescimento dramático. Está previsto que por 2030 o mercado global de LoRa e LoRaWAN IoT se expandirá para US$ 48,4 bilhões, com uma taxa de crescimento do mercado de 36.8% durante o período de previsão. O mercado IoT realmente aprecia a tecnologia devido às suas inúmeras vantagens.
Conclusão: LoRaWAN é ideal para você?
Os benefícios da tecnologia LoRaWAN são claros. Não é mais necessário implantar gateways densamente para receber sinais de dispositivos distantes. LoRaWAN é capaz de lidar com as demandas do seu projeto facilmente e com um custo bastante razoável. Alimentado pela rede LoRaWAN, você também pode acessar facilmente dados para ajudá-lo a tomar decisões estratégicas que aumentarão a produtividade geral do projeto e do negócio. No mercado de IoT, o volume de produtos e serviços especializados baseados na tecnologia LoRaWAN aumenta constantemente