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Por que LoRaWAN é a melhor escolha para rastreamento de IoT de longo alcance e baixo consumo de energia

12 de outubro de 2024
Estudos de caso de IoT

12 de outubro de 2024
Estudos de caso de IoT

Introdução

O advento da Internet das Coisas (IoT) revolucionou o rastreamento de ativos, fornecendo soluções inovadoras para monitorar e gerenciar recursos de forma eficaz. Entre as diversas tecnologias de conectividade disponíveis, a LoRaWAN (Long Range Wide Area Network) se destaca como uma escolha ideal para fábricas, portos, campi, estacionamentos, hospitais e até mesmo projetos de rastreamento em todo o país. Este artigo explora as vantagens da LoRaWAN, particularmente no contexto de estacionamentos, fábricas, armazéns ou rastreamento de gado, e demonstra por que ela é a melhor tecnologia de conectividade para tais empreendimentos.

Vantagens do LoRaWAN

LoRaWAN, Cobertura de Longo Alcance

Tecnologia LoRaWAN é conhecido por sua ampla capacidade de cobertura, abrangendo vários quilômetros. Isso é particularmente benéfico para estacionamentos onde os carros podem estar espalhados por grandes áreas, incluindo prédios, espaços abertos e locais remotos. A capacidade de cobrir longas distâncias garante que os dispositivos de rastreamento possam se comunicar efetivamente com os gateways, independentemente de sua localização.

Distância de comunicação do rastreador de crachá Lansitec:
· 5 km @SF9 com alguns edifícios e bosques entre o portal e o rastreador.
· 19km @SF9. O portal está em um edifício de 30m de altura na costa, e o rastreador está em um navio

Gateway Bluetooth solar:
· 3 km @SF9 com alguns edifícios e bosques entre o portal e o rastreador.

A distância pode ser maior aumentando o SF para 10, 11 ou 12.
Para saber mais sobre a cobertura LoRaWAN, consulte “Quais são os fatores que afetam o alcance do LoRaWAN na IoT?”

O recurso de cobertura de longo alcance torna o LoRaWAN ideal para os seguintes projetos de rastreamento:
· Rastreamento de veículos e chaves em estacionamentos de concessionárias
· Rastreamento de pescadores e trabalhadores offshore

LoRaWAN, baixo consumo de energia

Uma das vantagens significativas do LoRaWAN é seu baixo consumo de energia. Dispositivos que utilizam LoRaWAN podem operar por longos períodos com uma única carga de bateria ou com uma pequena bateria não recarregável, o que é crucial para aplicações de rastreamento onde a troca frequente de baterias seria impraticável. Esse recurso reduz os custos de manutenção e garante o monitoramento contínuo de funcionários, veículos e ativos, sem interrupções.

A baixa corrente TX e RX, comparada à rede celular, também reduz a necessidade de saída da bateria, então temos mais opções de bateria.

MCU: nRF52832
LoRa RF: SX1262
SF9
Tamanho dos dados: 9 bytes
Mensagem confirmada
Corrente TX média do sistema: 110,78 mA
Corrente média RX do sistema: 4,97 mA
Consumo total de energia: 16,01 mC, 0,00445 mAh

LoRaWAN, Custo-Efetividade

LoRaWAN é uma solução acessível para rastreamento de ativos. A tecnologia não requer infraestrutura cara, tornando-a acessível a todos os projetos com orçamentos limitados. Ela utiliza a banda ISM, que é gratuita em todo o mundo, permitindo que todos construam sua própria LPWAN.

O LoRaWAN apresenta baixos custos operacionais, como trocas mínimas de bateria, diversos gateways e servidores de rede (NS) LoRaWAN com custos diferenciados e baixas taxas de transmissão de dados, o que aumenta ainda mais sua relação custo-benefício. Alguns gateways LoRaWAN possuem um servidor de rede integrado, o que é ideal para projetos pequenos.

Além disso, podemos encontrar opções adicionais para vários fornecedores, incluindo fabricantes de dispositivos, NS e provedores de APP na LoRa Alliance, para otimizar nossa solução.

Opções de rede LoRaWAN

Um dos benefícios significativos do LoRaWAN é que qualquer pessoa pode construir sua própria rede LoRaWAN local ou baseada na nuvem para diferentes tipos de projetos. Além de uma rede privada, os usuários podem acessar redes nacionais existentes em países como França, Bélgica e Holanda. Essas redes estabelecidas oferecem cobertura e infraestrutura abrangentes para dispositivos habilitados para LoRaWAN.

Para quem busca uma abordagem mais descentralizada, o Helium oferece uma alternativa interessante. A rede do Helium opera em escala global, contando com uma rede distribuída de hotspots mantidos por usuários individuais. Esse modelo descentralizado permite uma cobertura mais ampla e maior flexibilidade, tornando-o uma opção atraente para aplicações de IoT (Internet das Coisas) em todo o mundo.

A comunicação LoRaWAN via satélite oferece outra maneira de rastrear estoques vivos, veículos e contêineres. Ela inclui alguns recursos exclusivos:

Cobertura global da LoRaWAN: A conectividade via satélite garante que os dispositivos LoRaWAN possam se comunicar de praticamente qualquer lugar da Terra, mesmo em áreas remotas ou rurais com infraestrutura de rede terrestre limitada.

Escalabilidade LoRaWAN: As redes de satélite LoRaWAN podem acomodar um grande número de dispositivos, tornando-as adequadas para implantações de IoT em larga escala.

LoRaWAN Custo-Benefício: As soluções de satélite LoRaWAN geralmente oferecem uma alternativa mais econômica às tecnologias tradicionais de comunicação via satélite.

Confiabilidade LoRaWAN: A comunicação via satélite oferece um alto nível de confiabilidade e resiliência, mesmo em ambientes desafiadores.

Os usuários podem até usar comunicação ponto a ponto (além do LoRaWAN) em casos em que apenas alguns dispositivos e uma rede simplificada são necessários, como um sistema de alerta e rastreamento de pescadores.
Portanto, a rede LoRaWAN é flexível e pode ser tão pequena quanto um navio para rastrear velejadores e pescadores, ou nacional para rastrear recipientes, paletes, e ativos de aluguel.

Capacidade da rede LoRaWAN

A capacidade da rede LoRaWAN não é um problema na maioria dos sistemas de monitoramento, pois a frequência dos relatórios é baixa, de minutos a horas, ou pode ser acionada por eventos. No entanto, em um projeto de rastreamento, os usuários desejam rastrear ativos ou pessoas a cada vários segundos ou minutos.

Exemplo 1:

Rastreador GNSS: 750 unidades
Intervalo do relatório: 5 minutos
Tamanho dos dados: 9 bytes
SF7, a taxa de capacidade do gateway LoRaWAN é 3,6%
SF8, a taxa de capacidade do gateway LoRaWAN é 7%
SF9, a taxa de capacidade do gateway LoRaWAN é 14%

Para maximizar a capacidade da rede e minimizar a perda de pacotes, é melhor manter a taxa de capacidade menor que 15%.

Exemplo 2:

Rastreador GNSS: 50 unidades
Intervalo do relatório: 15s
Tamanho dos dados: 9 bytes
SF7, a taxa de capacidade do gateway LoRaWAN é 5%
SF8, a taxa de capacidade do gateway LoRaWAN é 10%
SF9, a taxa de capacidade do gateway LoRaWAN é 20%

Para uma avaliação detalhada da capacidade da rede, consulte nossa “Avaliação da capacidade da rede LoRaWAN de 8 canais”, PN: 511-00054.

Como podemos observar nos exemplos 1 e 2, a capacidade de uma rede LoRaWAN é função da densidade de seus gateways. O Fator de Espalhamento (FS), o tamanho dos dados e a largura de banda determinam a capacidade de uma rede com um único gateway. Também podemos expandir a capacidade da rede adicionando mais canais de comunicação: de 8 para 16 canais de uplink no EU868 ou de 8 para 16 ou mais (até 64) no US915, AU915 e CN470. A capacidade também pode ser aumentada adicionando mais gateways LoRaWAN.

Para Gateways Bluetooth e sensores que são estáticos, o uso de um mecanismo de taxa de dados adaptável (ADR) é essencial. O principal objetivo do ADR é economizar a energia da bateria dos nós finais da LoRaWAN. Ter os nós finais mais próximos de um gateway transmitindo usando o menor fator de espalhamento minimiza seu tempo no ar e prolonga a vida útil da bateria. Sensores mais distantes transmitem com um fator de espalhamento maior. Há um equilíbrio entre a energia da bateria e a distância, visto que um fator de espalhamento maior permite que um gateway se conecte a dispositivos mais distantes.

No entanto, para um rastreador móvel, é melhor usar uma taxa de dados fixa para economizar energia enquanto ele percorre diferentes distâncias até o gateway LoRaWAN. A taxa de dados fixa também mantém a comunicação estável para um dispositivo móvel, ou seja, rastreadores.

Roaming e Mobilidade LoRaWAN

Em LoRaWAN, os nós finais não estão conectados a um gateway específico. Em vez disso, os dados transmitidos por um nó são normalmente recebidos por vários gateways e encaminhados para o servidor de rede central, onde as mensagens são verificadas e encaminhadas com segurança para o aplicativo. A inteligência e a complexidade são transferidas para os servidores de rede que gerenciam a rede e filtram pacotes redundantes recebidos, realizam verificações de segurança, agendam confirmações por meio do gateway ideal, executam taxas de dados adaptáveis e muito mais. Se o nó for móvel ou estiver em movimento, não há necessidade de passar o controle de um gateway para outro, o que é um recurso essencial que permite o aplicativo de rastreamento de ativos.

LoRaWAN Alta Segurança

A segurança é uma preocupação primordial em qualquer projeto de rastreamento, especialmente quando se trata de dados sensíveis. A LoRaWAN emprega padrões robustos de criptografia, como o AES-128, para garantir que os dados transmitidos entre dispositivos e gateways estejam seguros e protegidos contra acesso não autorizado. Esse alto nível de segurança é essencial para manter a integridade e a confidencialidade das informações de rastreamento.

Tamanho da carga útil, taxa de dados e latência do LoRaWAN

O LoRaWAN oferece um perfil de transmissão de dados versátil com uma carga útil máxima de aplicação de 11 a 242 bytes (dependendo da banda de frequência e do fator de espalhamento), taxas de dados variando de 255 bps a 50 kbps e latência normalmente medida em segundos, dependendo da configuração RECEIVE_DELAY. Embora esses parâmetros nem sempre superem NB-IoT, CAT-M ou Cat-1 em todos os aspectos, eles são adequados para muitas aplicações de rastreamento.

Estudos de caso e implementações práticas de LoRaWAN

Carros e chaves no estacionamento de concessionárias

Solução Lansitec B-Mobile® combina Beacons Bluetooth, e gateway Bluetooth com LoRaWAN para fornecer recursos de rastreamento de carros e chaves sem interrupções. Veja como funciona:

Beacons Bluetooth: Esses pequenos dispositivos podem ser acoplados a chaves e pendurados nos espelhos retrovisores. Eles anunciam continuamente sua presença.

Gateways Bluetooth: Estrategicamente posicionado Gateways Bluetooth detectam esses beacons quando entram no alcance. Esses gateways então transmitem os dados do beacon (principal, secundário, status da bateria e RSSI) pelas redes LoRaWAN.

LoRaWAN: Oferece rastreamento de amplo alcance e baixo consumo de energia. Com alcance de até 5 km em áreas urbanas e mais de 20 km em ambientes rurais, os gateways LoRaWAN cobrem grandes áreas. A modulação Chirp Spread Spectrum garante resiliência a interferências.

Benefícios

Experiência aprimorada do cliente: O rastreamento em tempo real melhora o atendimento ao cliente durante auditorias e interações.

Farol Bluetooth Bateria de longa duração: Os beacons Bluetooth podem durar mais de 5 anos, garantindo rastreamento persistente.

Gateway Solar Bluetooth: O receptor Bluetooth no gateway Bluetooth pode receber continuamente beacons próximos e reportar imediatamente a uma LoRaWAN. O baixo consumo de energia permite que o gateway Bluetooth não precise de manutenção.

Rastreamento de Contêineres

Os usuários podem implantar gateways LoRaWAN em portas entre ilhas, fábricas e armazéns para fornecer conectividade perfeita.

Rastreamento de contêineres: O Lansitec Rastreador de Contêineres LoRaWAN Oferece visibilidade em tempo real durante o trânsito entre ilhas. Você sempre saberá onde seus contêineres estão, seja em navios, caminhões ou em pátios de armazenamento.
Fixe esses rastreadores em paletes, máquinas ou outros ativos em fábricas e armazéns. Monitore a movimentação, otimize fluxos de trabalho e evite perdas ou roubos.

Monitoramento de uso da máquina: Monitore os padrões de uso dos equipamentos. Identifique máquinas ociosas ou detecte anomalias na operação.

Gestão de ativos: Sejam ferramentas, peças de reposição ou estoque valioso, este rastreador simplifica o gerenciamento de ativos com Bluetooth e transmite as informações via LoRaWAN.

Rastreamento de Trabalhadores

O rastreador de crachás e sensor de capacete Lansitec pode ser usado para rastrear trabalhadores em um canteiro de obras, plataforma de petróleo ou usina eólica no mar.

Rastreador de crachás

O rastreador de crachá Lansitec foi desenvolvido com base nas tecnologias GNSS, Bluetooth 5.0 e LoRa. Suporta rastreamento interno e externo. O crachá é usado principalmente para gestão de pessoas e ativos.
Seu acelerador de 3 eixos integrado pode ser usado para determinar o status de movimento do terminal. Portanto, pode ajudar a economizar bateria e aprimorar a experiência do usuário.

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Sensor de capacete

O Sensor de Capacete Lansitec foi desenvolvido com base nas tecnologias GNSS, Bluetooth 5.0 e LoRaWAN. Ele suporta rastreamento interno e externo.
Ele suporta diversos recursos que contribuem para um gerenciamento fácil em ambientes industriais. Seu acelerador de 3 eixos integrado pode ser usado para determinar o status de movimento do terminal. Portanto, pode ajudar a economizar bateria e aprimorar a experiência do usuário.

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Rastreamento de alta precisão UWB

O LoRaWAN pode ser usado para sincronização e transmissão de dados em um sistema de rastreamento UWB de alta precisão. Âncoras posicionadas a 20-30 m de distância umas das outras podem ser alimentadas por bateria por mais de 5 anos, com o benefício do baixo consumo de energia do LoRaWAN. Rastreadores com LoRaWAN e UWB encaminham as informações de distância para um gateway LoRaWAN para que o servidor calcule sua posição.
Nesta solução de rastreamento UWB baseada em LoRaWAN, tanto as âncoras quanto os rastreadores são alimentados por bateria, reduzindo significativamente o esforço de manutenção da implantação.

Não hesite em entrar em contato conosco para obter mais informações sobre a solução de rastreamento UWB baseada em LoRaWAN.

Conclusão

A LoRaWAN surge como a melhor tecnologia de conectividade para um projeto de rastreamento regional devido à sua cobertura de longo alcance, baixo consumo de energia, custo-benefício e alta segurança. Com a LoRaWAN, estacionamentos, portos, hospitais e canteiros de obras podem monitorar e gerenciar seus ativos com eficácia, garantindo maior segurança e eficiência operacional.