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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.
Arquitetura da rede LoRaWAN
Arquitetura da rede LoRaWAN
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.
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.
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.
End-devices LoRa
End-devices LoRa
Dentro do protocolo LoRaWAN os dispositivos end-devices são classificados dentro de 3 classes:
Classe a
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
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
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
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
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.
ESP32 LoRa
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.
RN2903A
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.
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