Introdução a tecnologia LoRa

O que vamos aprender

Com a ascensão do IoT que veio para conectar os mais diversos dispositivos a rede de internet, algumas situações impõem desafios à tecnologias de transmissão mais populares como WiFi e Ethernet. Um exemplo disso seria conectar sensores em áreas remotas e sem acesso à rede elétrica. A tecnologia LoRa é uma solução para situações assim. Nesse post farei uma breve explanação sobre a tecnologia LoRa e alguns pontos relevantes da rede LoRaWAN.

Definição de LoRa, LoRaWAN e LPWAN

O LPWAN (Low Power Wide Area Network) é um modelo de rede sem fio muito utilizada em IoT e que tem como fundamentos 3 aspectos:

• Longo alcance e baixo taxa de dados – Para alcançar longas distâncias abre se mão do volume de informação.
• Baixo consumo de energia – Em áreas onde não há fontes contínuas de energia, muitas vezes o dispositivo será mantido por baterias e tentar reduzir ao máximo o consumo delas é um dos focos desse modelo.
• Baixa frequência de transmissão – A troca de informação entre dispositivos e o gateway só ocorrerá limitadas vezes em um dia.

LoRa é uma sigla para Long Range e se trata de uma tecnologia de radiotransmissão de longo alcance e baixo consumo criada pela Semtech™. Essa tecnologia pode criar links entre dispositivos na escala de quilômetros (3-4 Km para regiões urbanas, e em áreas rurais, 12 Km ou mais para regiões rurais).Dispositivos LoRa funcionam com frequências de 433, 868 e 915 MHz que estão dentro da banda ISM (Industrial Sientific and Medical) reservada internacionalmente para aplicações Industriais, científicas e médicas.

Já o LoRaWAN é um protocolo de rede LPWAN (Low Power, Wide Area) que usa a tecnologia LoRa como camada física e que define diversos outros parâmetros como arquitetura da rede, segurança , potência de sinal e etc.

Arquitetura da rede LoRaWAN

Figura 1 – Arquitetura LoRaWAN.

Nessa configuração os dispositivos end-points trocam dados com Gateways, estes por sua vez enviam a informação via conexão IP para servidores de rede que por sua vez trocam dados com servidores de aplicação onde normalmente estão rodando aplicações onde o usuário final vai acessar esses dados.

Os dispositivos end-points ou end-devices estão na ponta do sistema, podem ser sensores de temperatura, sensores de umidade, medidores de consumo de energia, motores, lâmpadas e etc.

Figura 2 – Sensor de temperatura LoRa.

Os gateways tem a função de prover interface entre os end-points se conectam por meio de LoRa e um servidor de rede que gerencia os dados recebidos. A rede LoRaWAN implementa a topologia em estrela do modelo LPWAN, ou seja, todos os dispositivos estão diretamente conectados ao gateway.

Figura 3 – Alguns modelos de gateway.

Vale destacar que a troca de informações nesse protocolo é duplamente criptografada usando o algoritmo AES de 128 bits com duas chaves, uma para o servidor de rede (Network Session Key) e uma para o servidor de aplicação(Application Session Key).

Algumas aplicações onde LoRaWAN pode ser utilizada são monitoramento remoto de gás, prevenção de desastres, segurança pública, agricultura, monitoramento de animais.

End-devices LoRa

Dentro do protocolo LoRaWAN os dispositivos end-devices são classificados dentro de 3 classes:

Classe A – Classe padrão para todos os dispositivos LoRa. Dispositivos que trabalham nessa classe tem a autonomia de iniciar a transmissão upstream a qualquer momento e a camada de aplicação tem 2 janelas de tempo para responder caso seja necessário. Se for necessário mandar alguma informação ou comando a partir da camada de aplicação, essa informação deve ser armazenada e só poderá ser enviada em resposta a uma transmissão iniciada pelo end-device, caracterizando uma forma de comunicação bidirecional. Essa classe permite menor consumo de energia comparado com as outras duas classes.

Classe B – Dispositivos dessa classe além receberem dados em resposta a uma transmissão partindo deles como na classe A, também podem receber dados em janelas tempos agendadas. A comunicação começa quando end-device detecta uma mensagem do tipo beacon enviada pelo módulo gateway. Essas mensagens de sincronia são configuradas no servidor de rede conectado a outra ponta do gateway. Nessa classe o consumo de bateria é intermediário entre as outras duas.

Classe C – Dispositivos funcionando nessa classe estão praticamente todo o tempo com a janela de recepção aberta, estando fechada somente no momento da transmissão. Essa classe permite que a aplicação tenha do controle do dispositivo quase que a qualquer momento. Recomendada para dispositivos que tenham acesso a rede elétrica pois é a classe que apresenta maior consumo das três.

Módulos LoRa

Para estudos e desenvolvimento de protótipos de end-devices, temos no mercado algumas opções de módulos LoRa que valem a pena  serem citados.

Módulo SX1276 LoRa

É um módulo básico que possui o chip SX1276 da Semtech™. Esse módulo pode operar com qualquer microcontrolador (Arduino, Raspberry, ESP) que possua interface SPI.

Figura 4 – Módulo SX1276 LoRa 915MHz.

RN2903A

É um modulo LoRa desenvolvido pela Microchip que também precisa de um microcontrolador externo para operar. Usa comunicação serial para troca de dados com o microcontrolador seja um Arduino, Raspberry ou ESP.

Figura 5 – Módulo RN2903A.

ESP32 LoRa 

O ESP32 LoRa é uma placa que combina um ESP32 que já sabemos que possui WiFi/Bluetooth com o um chip SX1276 ou SX1278 que é um chip LoRa. Além disso conta com display OLED de 0,96” embutido e entrada para bateria de lítio 3.7V a 4.2V. Atualmente existem duas empresas fabricantes desse tipo de ESP LoRa, TTGO e a Heltec.

Figura 6 – ESP32 LoRa TTGO SX1276.

Faixas de frequência

As transmissões LoRa operam em diferentes faixas de frequências para diferentes países.

• Estados Unidos: 902 – 928 MHz
• Austrália: 915 – 928 MHz
• China: 779 – 787 e 470 – 510 MHz
• Europa: 863-870 e 433 MHz
• Brasil: 902 – 928 MHz 

No Brasil temos uma peculiaridade porque temos uma restrição de 40 canais que vão de 907.5 MHz a 915 MHz (usado por uma operadora de telefonia), deixando duas partes que somadas agrupam 24 canais.

Figura 7 – Faixas de frequência LoRa para o Brasil.

A resolução da Anatel que trata dessas faixas de frequência está disponível neste link.

Gostou? Deixe seu comentário logo abaixo, aguardo você no próximo post. Confira também a nossa loja virtual encontre alguns módulos citados no post.