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Edição das 17h03min de 24 de agosto de 2021
Fase I - Estudo
Título da Idéia
LoRa - Tecnologia de rede de área ampla e de baixa potência (LPWAN) voltada para IoT (Internet of Things).
Objetivos
- Objetivo Geral
- Estudar a tecnologia LoRa, bem como o protocolo LoRaWAN, a fim de encontrar possíveis aplicações da rede LoRa na Algar Telecom.
- Estudar a tecnologia de redes LoRa, suas topologias, aplicações, bem como o procolo LoRaWAN, a fim de se tornar realizável a implementação de um caso de uso, utilizando a tecnologia em uma torre compartilhada com equipamentos de rede móvel.
- Objetivos Específicos
- Utilizar a tecnologia implementando sensores, gateways, atuadores, etc. para monitoramento e prevenção de queimadas/incêndios em parques, sendo detectado os níveis de calor e fumaça em determinadas áreas. Os dados de cada sensor serão enviados de tempos em tempos para um gateway LoRa.
Conceito
A rede LoRa é uma rede de baixa potência e longo alcance (uma LPWAN - Low Power Wide Area Network), que opera em uma faixa de frequência baixa (no Brasil, por exemplo, atua na faixa de 915MHz) e não licenciada. Graças à essa característica de ter uma baixa taxa de transmissão e obter um longo alcance, a rede LoRa auxilia a realizar diversas medições úteis através de sensores, por exemplo, para diversos tipos de análises, a fim de solucionar problemas do cotidiano, como: poluição, segurança (seja das ruas, de propriedades, atuando na prevenção/antecipação de eventos, como algum desastre da natureza ou alguma falha humana) e muito mais. A rede LoRa, portanto, já vem sendo utilizada na área de IoT (Internet of Things), sendo empregada em áreas como Urban Computing, Smart Cities e em diversas soluções onde se faz necessário a análise de diversos dados. Uma comparação entre a rede LoRa e as redes mais usuais pode ser vista abaixo:
Transmitir informações em uma banda de baixa frequência, com largura de banda a 500kHz, 250kHz ou 125kHz a uma baixa taxa de transmissão (indo de 290bps a 50kbps), propicia à rede LoRa um alcance de 5km em áreas urbanas e até 15km em áreas rurais, ou seja, a rede LoRa possui uma penetração de objetos muito maior do que as redes que utilizam uma faixa de frequência superior. A potência gira em torno de 20dBm ou 100mV e a modulação utilizada é derivada da CSS (Chirp Spread Spectrum Modulation), vista abaixo:
Na rede LoRa, existem alguns elementos importantes:
- os end-point, que são os dispositivos que estão conectados na rede LoRa, como sensor de humidade, temperatura, etc.;
- os gateways, que são os dispositivos responsáveis por receber os dados transmitidos dos sensores (end-points);
- os servidores de rede, que ficarão a cargo de receber os dados enviados pelos gateways e armazená-los;
- os servidores de aplicação, onde os dados recebidos serão tratados e então utilizados para algum fim.
A imagem abaixo esquematiza o que foi dito:
Sobre as classes dos dispositivos LoRa:
Sobre as classes dos dispositivos (todos são bidirecionais):
- Dispositivos classe A:
- são os que possuem melhor eficiência energética;
- só "escuta" quando envia informações;
- para "escutar", abrem 2 janelas de tempo t1 e t2 para receber dados e, se nada for recebido neste tempo, o dispositivo só estará apto a receber no próximo uplink;
- possuem a maior latência entre as classes;
- é a classe padrão dos dispositivos. Dispositivos classe B e C são "expansões" dos dispositivos classe A, ou seja, são classes opcionais;
- Dispositivos classe B:
- tem menor latência em troca de maior consumo de energia;
- a latência é controlada, ficando no meio termo entre os dispositivos classe A e C neste quesito;
- o gateway sabe quando o dispositivo está "escutando", pois o mesmo utiliza janela de recepção agendadas;
- é importante salientar que, então, gateway e dispositivo estarão sincronizados através da utilização de sinais beacon e pings;
- Dispositivos classe C:
- é a classe que demanda mais energia, em troca de uma latência menor;
- esta classe também abre 2 janelas de recepção como na classe A, porém, ela mantem uma janela aberta constantemente e, só não irá "escutar" quando estiver enviando informações;
- normalmente a classe A e B utilizam bateria e a classe C é alimentada por uma fonte externa;
Esta imagem detalha melhor como funciona as classes A (padrão e obrigatória), B (beacon) e C (continuous) dos dispositivos LoRa:
Alguns sites com venda de dispositivos LoRa (endpoints) comerciais:
- IoT Factory
- Sensor de detecção de fumaça
- Mais produtos aqui.
- Khomp
- Sensor/transmissor de temperatura e umidade
- Mais produtos aqui.
- Ursalink
- Sensor de temperatura e umidade
- Mais produtos aqui.
- My devices
- The things network
- Lista de produtos aqui.
- Thingpark
- Lista de produtos aqui.
Alguns sites com vendas de gateways LoRa:
- IoT Factory
- Lista de gateways disponível aqui.
- Khomp
- Ursalink
- É possível encontrar os gateways da ursalink aqui.
- My devices
- Uma planilha com os sensores e gateways disponíveis no site pode ser encontrada aqui.
- The things network
- Lista com os produtos aqui.
- Thingpark
- Lista de gateways aqui.
Comparação de tecnologias LPWAN:
Características
- As principais características do caso de implementação proposto são:
- Fornecer segurança à parques, auxiliando na prevenção à incêndios e, consequentemente, protegendo a fauna e a flora que ali estão presentes, bem como a vida das pessoas que frequentam o parque.
- Graças ao pouco consumo de energia, um único sensor teria uma vida útil de aproximadamente 10 anos, funcionando através de bateria.
- Um único gateway ficaria responsável por receber as informações dos sensores, que seriam espalhados no parque para uma melhor eficácia no monitoramento.
- Com isto, uma característica da implementação é a fácil expansão da ideia para outras situações, como por exemplo, na proteção de plantações de fazendeiros, na proteção de áreas ambientais, etc., uma vez que os incêndios são um grande problema e causam muitos prejuízos, fazendo com que seja bastante viável monetizar estas soluções e consequentemente oferecer estes serviços de monitoramento, que além da detecção, estariam também atuando em cima do problema para que ele seja solucionado o mais rápido possível.
Estudo Dirigido
- Estudo dirigido:
- Pesquisa em cima de LPWANs;
- Pesquisa sobre IoT;
- Pesquisa sobre a tecnologia LoRa, bem como suas características, vantagens e desvantagens;
- Pesquisa sobre casos de uso e possibilidades de implementação;
- Viabilidade, de implementação e comercial, da solução escolhida;
- Caso não for viável, pesquisar outros casos de uso até que algum caso atenda ao tópico anterior;
- Materiais:
Fase II - Ensino
Conteúdo
Arquivo PDF contendo o conceito descrito nesta página:
Apresentação
Apresentação sobre LoRa IoT realizada 24/09:
Arquivo:Apresentação LoRa Algar 24-09.pdf
Metodologia
- Estudos básicos para conhecimento do potencial das tecnologias utilizadas para IoT
- Estudo de tecnologias LPWAN
- Estudos básicos para entendimento sobre o problema
- Estudos de casos de uso
- Estudo de equipamentos para implementação
- Estudo de fornecedores de equipamentos
- Estudo de comparativo de tecnologias
- Estudos para dar base aos pesquisadores
- Adoção de novas tecnologias
- Utilização da proposta de soluções Open-source
- Foco na não dependência de fornecedores
Fase III - Exemplo de Caso de Negócio
Product Backlog
- Os requisitos mínimos para o projeto:
- 02 protoboards de 400 pontos
- 02 workplates 400
- 01 sensor DHT11
- 02 fontes 9VDC 1A
- 02 módulos ESP32 915 MHz
- 02 módulos Arduino Uno
- 01 jogo de jumpers macho-macho
- Resistores e leds
Benefícios para quem for oferecer esta solução
Os benefícios para quem for oferecer esta solução:
- O aprendizado de uma tecnologia emergente possibilita a criação de soluções inovadoras;
- Soluções inovadoras abrem diversas possibilidades de parcerias com fornecedores e empresas;
- Com a rede LoRa, é possível trabalhar em várias soluções, de diferentes áreas, resolvendo desde questões relacionadas à agricultura até questões industriais, o que possibilita um grande leque de clientes;
Benefícios para o usuário
Benefícios para o usuário:
- LoRa é uma tecnologia que utiliza criptografia fim a fim, portanto, os usuários estarão seguros quanto à seus sistemas envolvendo o LoRa;
- Focado em IoT, a rede LoRa pode propiciar à seus clientes:
- automação de alguma operação;
- segurança de algum objeto, de pessoas e/ou animais;
- monitoramentos como vazamento de gás, nível de poluição do ar, entre outros;
- as redes LoRa podem então, por exemplo, melhorar a eficiência de alguma indústria e reduzir seus custos;
- para mais exemplos de usuários da tecnologia LoRa: clique aqui;
Direcionadores chave para esta iniciativa
Direcionadores chave:
- Inovação;
- Aumentar eficiência e reduzir custos;
- Segurança;
- Logística;
- Monitoramento;
- Atuação;
- Baixo consumo de energia;
Possíveis modelos de negócios
Um possível modelo de negócio:
- oferecer soluções envolvendo a tecnologia LoRa;
- os equipamentos necessários são de responsabilidade da empresa;
- o público alvo: todo e qualquer cliente que necessite de soluções inovadoras onde a rede LoRa possa contribuir;
- fonte de receita se daria a partir da soma do custo da solução, calculando-se a mão de obra e o preço dos equipamentos, com a margem de lucro pretendida;
Business Case
Um exemplo de negócio:
- O caso de uso pretendido que já foi explicado anteriormente (monitoramento para prevenção de incêndio em parques) é um bom exemplo de negócio pois abre margem para outras implementações e soluções, como:
- Cattle tracker;
- Proteção ambiental;
- Proteção contra incêndios dentro de residências, etc;
Alinhamento com Lei do Bem
- Projeto possui algum elemento tecnologicamente novo ou inovador?
- Sim, o fato das redes LoRa, uma tecnologia recente, possuir um longo alcance a um consumo baixíssimo de energia é um elemento inovador, invlusive as LPWANs estão cada vez mais em evidência e, principalmente, as redes LoRa;
- Projeto possui barreira ou desafio tecnológico superável?
- Sim. O desafio maior se dá mais na questão de aprender os protocolos de comunicação, em como realizar a comunicação entre dispositivos.
- Projeto utiliza metodologia/método para superação da barreira ou desafio tecnológico?
- Sim. Estudar os protocolos e por fim estudar como funciona a comunicação entre dispositivos, para então ser possível colocar os conhecimentos teóricos em prática.
- Projeto é desenvolvido em parceira com alguma instituição acadêmica, ICT ou startup?
- Sim, a Universidade Federal de Uberlândia.
1º Teste envolvendo LoRa
- Montar dois ambientes de interação LoRa utilizando os módulos ESP32WiFi LoRa à fim de estabelecer uma comunicação entre eles.
- À partir desta comunicação será feito testes utilizando sensores à fim de tornar possível o objetivo final da pesquisa: o monitoramento de áreas em parques à fim de prevenir incêndios.
- O projeto será feito ponto a ponto, ou seja, não terá gateway e portanto nos limita quanto às possibilidades que teríamos se usássemos um gateway propriamente dito, utilizando protocolo LoRaWAN, etc.
- Comercialmente falando, não é um protótipo que já pode ser comercializado, é preciso que ele seja mais robusto, ou seja, utilizando Gateways, cloud servers, etc. à fim de que a solução seja mais precisa, abrangente e confiável.
- Em termos de recursos, todos os componentes para o projeto inicial foram adquiridos, contudo, estamos limitados quanto ao poder de processamento dos módulos LoRa ESP32.
- Através de uma reunião entre Samuel e Lucas será desenvolvido um projeto experimental utilizando módulos ESP32.
- Pretendemos utilizar dois notebooks, cada um rodando um módulo, um TX e outro RX, um sensor de temperatura DHT11, protoboard, jumpers, resistores, um buzzer e, com estes componentes, estabelecer uma comunicação LoRa e acionar o buzzer quando o sensor de temperatura atingir uma determinada temperatura estabelecida.
Fase IV - Protótipo orientado ao Negócio
Escopo
- Monitoramento em tempo real da caixas de terminação optica.
- Catalogar falhas / Armazenamento em um banco de Dados
- Otimização do SLA
- Manutenção preventiva das caixas
Product Backlog
O que vai precisar:
- Gateway LoRa
- Sensores luminosidade, de vibração, acelerômetro
- Acesso ao servidor da Furukawa para realizar o monitoramento em tempo real
- Acesso a antena do bairro selecionado para instalação do Gateway
- Histórico de antigas ocorrências nos locais selecionados para uma comparação ao fim da PoC
Limitações
- O projeto será feito ponto a ponto, ou seja, não terá gateway e portanto nos limita quanto às possibilidades que teríamos se usássemos um gateway propriamente dito, utilizando protocolo LoRaWAN, etc.
- Comercialmente falando, não é um protótipo que já pode ser comercializado, é preciso que ele seja mais robusto, ou seja, utilizando Gateways, cloud servers, etc. à fim de que a solução seja mais precisa, abrangente e confiável.
- Em termos de recursos, todos os componentes para o projeto inicial foram adquiridos, contudo, estamos limitados quanto ao poder de processamento dos módulos LoRa ESP32.
- A empresa Furukawa vai disponibilizar sensores e Gawtore LoRa para fazer o monitoramento das nossas caixas de terminação optica, caso algum sensor identifique algum problema, o sensor ira enviar enviar um sinal para o Gawtore que manda um sinal para o servidor para abrir um chamado no aplicativo do técnico para ser realizada a devida manutenção.
Privacidade (LGPD)
- Avaliar condições referentes à Lei Geral de Proteção de Dados
Detalhamento Técnico
Descreva especificamente os aspectos técnicos desta pesquisa
Cronograma Macro
Histórico
- 21/09/2020: Atualizado algumas informações no tópico "Objetivos";
- 22/09/2020: Nada foi escrito: houve uma reunião para validar alguns conceitos e finalizar uma apresentação sobre o tema;
- 23/09/2020: Atualizado os tópicos "Características" e "Estudo Dirigido";
- 24/09/2020: Weekly P&D: Enock, Samuel, Lucas Gonçalves e Luiz Cláudio
- Comparação entre LoRa, Sigfox e NBIoT;
- Verificar quais empresas estão envolvidas com a tecnologia LoRa (ex. American Tower);
- Verificar quais os tipos de devices e gateways existentes comercialmente;
- Verificar quais soluções já existem no mercado;
- Estudar como o caso de uso seria feito/implementado na prática;
- 25/09/2020: Alinhamento sobre os próximos passos da pesquisa;
- 30/09/2020: Foi adicionado informações sobre como é classificado cada dispositivo LoRa bem como as características de cada um deles;
- 01/10/2020: Alinhamento sobre a apresentação cm Luiz Cláudio;
- 05/10/2020: Samuel tratará do Business Case;
- 06/10/2020: Foi adicionado as fontes das imagens. Foi adicionado, também, informações sobre os dispositivos e gateways comerciais LoRa no tópico "Conceito";
- 13/10/2020: Foi feito o upload da apresentação sobre o LoRa, bem como apresentado uma tabela sobre a comparação de tecnologias LPWAN no tópico "Conceito";
- 16/10/2020: Foi entrado em contato com a American Tower, Khomp e Logicalis, à fim de receber informações à cerca de soluções utilizando redes LoRa;
- 21/10/2020: Houve uma reunião para esquematizar como seria feito a interação com a Khomp, bem como verificado quais os dispositivos para cotação;
- 22/10/2020: Foi entrado em contato com o pessoal da 3G Soft à fim de realizar levantamento de informações;
- 27/10/2020: Concluído as partes da Fase I e Fase II, onde foi finalizado a parte de conceito e foi adicionado um arquivo PDF contendo as informações adquiridas com o estudo das redes LoRa;
- 29/10/2020: Alinhamento LoRa com Lucas e Daniel Ricardo:
- Foi sugerido que a fase final seja dividida em duas macro fases, a saber:
- Fase 01 - Implementação de aplicações LoRa ponto-a-ponto;
- Fase 02 - Implementação de estrutura LoRaWAN e aplicações WAN;
- Na primeira fase, temos três objetivos:
- Conhecermos melhor os protocolos e a comunicação com módulos LoRa;
- Podermos realizar testes de stress de cobertura e efetividade da solução;
- Termos um protótipo funcionando de um sistema simples para apresentarmos à empresa;
- Na segunda fase, vamos prospectar soluções de gateway, network server e app server e também montarmos um protótipo para apresentarmos.
- 30/10/2020: Concluído a escrita da Fase III;
- 04/11/2020: Introdução Wictor Hugo Monteiro Lage;
- 10/11/2020: Houve uma reunião para definir como se dará a fase de criação do protótipo envolvendo comunicação LoRa ponto a ponto;
- 13/11/2020: Definição com Wictor de possível cenário e parceria para criação de um primeiro escopo do LoRa Iot utilizando experiência da Faculdade de Vitória - ES;
- 16/11/2020: Foram feitos alguns testes com o protótipo usando Arduino + sensor de temperatura DHT11;
- 17/11/2020: Houve uma reunião para demonstração do sensor funcionando;
- 18/11/2020: Foi testado com arduino um buzzer que é acionado quando o sensor medir uma temperatura x;
- 23/11/2020: Instalado o módulo esp32 na ide do arduino;
- 24/11/2020: Houve uma reunião para esquematizar os próximos passos. Foi marcado uma reunião no CDI para implementação do projeto;
- 27/11/2020: Foi atualizado o conteúdo da Fase IV, sendo adicionado informações sobre o Escopo, Limitações e POC;
- 1/12/2020: Houve uma reunião entre Lucas e Samuel no CDI pra esquematizar os próximos passos;
- 7/12/2020: Foi feito testes com os módulos ESP32 e a comunicação entre eles foi realizada com sucesso
- 10/12/2020: Kick-Off com Samuel e Weekly P&D com Enock, Daniel, Lucas Gonçalves, Samuel, Wictor, Weber e Roney Lanni, onde foi mostrado o funcionamento dos módulos ESP32 e discutido os próximos passos:
- Pesquisar soluções/modelos de gateways;
- Continuar o projeto promovendo melhorias como implementação de sensores, etc;
- Estudar funcionamento do protocolo LoraWAN;
- 14/12/2020: Foram feitos testes utilizando os módulos ESP32 para leitura de temperatura com o sensor DHT11;
- 18/12/2020: Foi feito a comunicação entre os módulos ESP32, transmitindo os valores de temperatura e humidade de um módulo ao outro;
- 23/12/2020: Foi feito uma implementação para mostrar na tela do PC (onde está o módulo receptor) os valores que foram enviados do módulo emissor;
- 04/01/2021: Foi iniciado um estudo do código utilizado para entendê-lo mais a fundo (questões como potência de transmissão, dados de cada pacote, etc.);
- 08/01/2021: Foi implementado a função do buzzer no protótipo, simulando o alarme do estudo de caso proposto (apita quando atingir uma determinada temperatura);
- 12/01/2021: Foi feito uma reunião entre Lucas, Samuel e Wictor à fim de discutir alguns tópicos sobre uma apresentação envolvendo o que foi desenvolvido até o momento;
Apresentações
- Weekly P&D - 10/12/2020:
- Enock Cabral / Daniel Ricardo / Lucas Gonçalves / Wictor / Luiz Cláudio / Samuel Reis / Weber / Roney Lanni
- https://youtu.be/xNmRHMvaJvs
Pesquisadores
- Samuel Fernandes Terra dos Reis
- Lucas Gonçalves Pereira
- Daniel Ricardo Cunha Oliveira
- Wictor Hugo Monteiro Lage