Visão geral da tecnologia sem fio de IoT

A Internet das Coisas (IoT) é tão conhecida como desconhecida no mundo moderno. É um termo comum para profissionais da indústria tecnológica e do mundo corporativo, mas só é ouvido raramente pela população em geral, embora faça parte de sua vida diária. A tecnologia IoT é a conectividade de objetos físicos tais como dispositivos, veículos, edifícios, aparelhos eletrônicos e redes que lhes permite interagir, coletar e trocar dados. Ela se aplica a milhões de coisas diferentes, incluindo produtos convencionais modernizados, que antes não eram conectados à Internet.

Este artigo vai analisar as muitas maneiras pelas quais estes dispositivos podem se comunicar sem fio.

Três maneiras de levar os dados para dentro da nuvem

Um desafio do IoT é levar dados do sensor do dispositivo para a nuvem, onde esses dados são usados, processados e armazenados. O uso onipresente de Wi-Fi e Bluetooth através de smartphones, junto com a ampla disponibilidade de torres de celular e pontos de acesso Wi-Fi públicos, fornece mais acesso à nuvem para os sensores IoT do que nunca. Há três formas básicas de levar os dados para a nuvem.

Do sensor ao gateway e à nuvem. Em algumas aplicações, é ideal enviar os dados do sensor para um gateway, que depois transmite os dados de forma eficiente para a nuvem. Dependendo das necessidades da aplicação, o gateway pode variar de simples sistemas de relé a plataformas "inteligentes" que executam funções mais intensivas em computação, chamadas de "processamento de borda". Dispositivos como sensores de estacionamento e de utilização em bancada, normalmente, dependem de gateways para transmitir os dados. O Wi-Fi é um exemplo de gateway. Para uso doméstico, você precisa instalar um gateway Wi-Fi. Em locais públicos onde o gateway já está instalado, o Wi-Fi funciona diretamente para a nuvem. Outros tipos de comunicação sem fio, como o Bluetooth, precisam de um gateway. Um exemplo de Wi-Fi em casa é o Hatch Baby Grow, um trocador de fraldas inteligente com balança conectada. Ele usa Wi-Fi para transmitir dados da balança no trocador para a internet doméstica. Os pais e o pediatra podem rastrear informações baseadas na nuvem através de um aplicativo Android ou iOS.

Do sensor ao celular e à nuvem. Em alguns casos, o gateway pode ser um telefone celular. Os smartphones com capacidade Wi-Fi ou Bluetooth atuam como gateways para enviar dados à nuvem. Por exemplo, a Voler ajudou no desenvolvimento de pontos de ouvido que monitoram o equilíbrio de idosos. Eles têm transmissão sem fio Bluetooth LE para um smartphone onde há um aplicativo associado. Os dados também são enviados à nuvem a partir do smartphone, onde o processamento posterior pode ser feito e os dados podem ser compartilhados.

Do dispositivo inteligente diretamente à nuvem. O sensor pode se conectar diretamente à nuvem usando tecnologia como NB-IoT, LTE-M ou LoRa. Estas tecnologias transmitem por quilômetros a uma potência muito baixa, desde que a taxa de dados seja baixa. Se conectam à internet através de equipamentos, normalmente instalados em torres de celulares. E funcionam de maneira muito parecida aos telefones celulares, exceto que a taxa de dados e a potência são muito mais baixas. Há uma cobrança mensal, mas normalmente é muito pequena.

Os fatores a serem considerados no planejamento de uma estratégia de comunicação sem fio IoT incluem: quantos dados serão transferidos, a que distância a fonte de dados está da Internet, quanta potência é necessária e quanto é o custo do serviço, se houver. O amplo uso de smartphones e a escolha de padrões de Wi-Fi ou rádio Bluetooth oferecem uma conectividade muito conveniente. Novos padrões, tais como NB-IoT e LTE-M abrem mais opções para a Internet das Coisas do futuro.

Por que são necessárias novas tecnologias?

O IoT ainda está evoluindo. A cada iteração vem um menor consumo de energia, comunicação sem fio mais longa e melhores recursos. Novos dispositivos podem tirar proveito da nova tecnologia e proporcionar melhor desempenho.

O que levar em consideração para compensar

Toda vez que a Voler projeta um dispositivo vestível ou qualquer dispositivo que funciona a bateria, os clientes o exigem para:

• Operar por um longo período de tempo
• Transmitir muitos dados a uma longa distância
• Ter uma bateria minúscula

Existem compromissos a estas exigências conflitantes. A engenharia é sobre ceder concessões. Considere a necessidade de funcionalidade do sistema e faça as compensações de engenharia para fornecer o melhor desempenho de acordo com os requisitos do sistema. Ao mesmo tempo, é importante proporcionar uma experiência satisfatória para o usuário. O resultado é um projeto com os melhores compromissos entre as muitas escolhas.

Considerações sobre compensações

Recentemente, a Voler trabalhou com uma start-up para aprimorar a duração da bateria dos produtos conectados. Isso foi baseado no impModule™ da Murata com um processador Arm® e transceptor Wi-Fi. Eles precisavam de uma duração da bateria de muitas semanas, e foi menos de uma semana após a criação do protótipo. A Voler revisou o código para atender a necessidade de duração da bateria. O código original não estava funcionando como pretendido.

Na transmissão sem fio, três coisas devem ser gerenciadas: a potência necessária para transmitir, a taxa de dados e o alcance da transmissão. Escolher o padrão sem fio correto é importante. Consulte a tabela abaixo ao selecionar um padrão sem fio para o dispositivo IoT que está sendo projetado. A tabela lista os padrões sem fio comuns usados para dispositivos IoT, juntamente com suas características.

Tabela 1: padrões sem fio comuns e suas capacidades. (Fonte da tabela: Voler)

Padrões sem fio diferentes exigem níveis de potência muito diferentes. A potência necessária depende da taxa de transmissão de dados e do alcance da transmissão. Por exemplo, referindo-se à Tabela 1, um dispositivo pode requerer 120 mW de potência para transmitir 100 bits de dados por segundo a um quilômetro, usando o LTE Cellular. Mas usando Bluetooth LE para transmitir a 1 metro, um dispositivo pode precisar apenas de 0,15 mW de potência.

Comparação dos padrões sem fio IoT

Tabela 2: uma comparação de padrões sem fio IoT. (Fonte da tabela: Voler)

Requisitos de energia para opções sem fio populares

Se um dispositivo for necessário apenas para transmitir dados até 10 metros, BLE e Bluetooth são suficientes. Mas os dispositivos IoT para fins industriais e comerciais, tais como gerenciamento de inventário ou dispositivos vestíveis para monitoramento de saúde podem exigir comunicação de longo alcance, tais como NB-IoT ou LTE-M. Se um dispositivo envia muitos dados, como uma câmera de vídeo, a BLE não consegue lidar com eles. São necessárias escolhas de alta potência, como Wi-Fi e LTE.

Por outro lado, os protocolos celulares sem fio NB-IoT e LTE-M permitem que os dispositivos IoT transmitam dados para locais distantes com baixa potência. O mesmo se aplica ao SigFox, que pode transmitir dados a até 50 quilômetros. Mas, ao contrário dos padrões celulares com uma alta taxa de dados, o SigFox só pode transmitir até 300 bits de dados por segundo.

Rede privada vs. rede pública

Uma rede privada tem um gateway instalado e controlado por um provedor para uma quantidade limitada de um ou mais usuários.  Uma rede pública tem um gateway que muitos usuários podem utilizar pagando uma taxa mensal. Um exemplo é o serviço de celular.

As redes públicas exigem a instalação de infraestrutura, como por exemplo torres celulares. Os telefones celulares são populares e podem perambular facilmente devido à instalação generalizada de torres de celular. A SigFox e LoRa têm uma infraestrutura limitada nos EUA, portanto um dispositivo que utilize esta tecnologia não funcionaria na maioria dos lugares. A LoRa tem a opção de uma rede privada usando um gateway.

Em 2019 a instalação de infraestrutura para NB-IoT e LTE-M passou do ponto em que 90% da população dos Estados Unidos está coberta. Está se aproximando da disponibilidade de cobertura celular. Embora já exista há anos, finalmente, esta tecnologia pode ser utilizada em novos dispositivos. A infraestrutura está em vigor na maioria dos principais países do mundo também. É esperado um rápido aumento no uso de NB-IoT e LTE-M. A Sigfox e LoRa estão muito atrasadas na instalação da infraestrutura pública.

Abaixo está um resumo das opções sem fio privadas e públicas:

Privada

• Ambos os extremos da comunicação com propriedade privada
• Pode ser instalado em qualquer lugar
• Espectro não licenciado
• Custo para instalar estações base e pontos finais
• Sem mensalidade

Pública

• A rede de propriedade do provedor - por exemplo, celular
• Só funciona onde existem estações base
• Facilidade de roaming
• Espectro licenciado
• Uma cobrança mensal para o uso da rede

Quando a tecnologia de bateria será aprimorada?

Se as baterias fossem melhores, estas compensações seriam mais simples. O armazenamento de energia química está se aproximando do limite de sua eficiência. Há, entretanto, muita pesquisa sendo feita sobre maior densidade e melhor segurança.

Se as baterias tivessem progredido como os semicondutores nos últimos 50 anos, você teria uma bateria do tamanho da cabeça de um alfinete que custaria um centavo e alimentaria seu carro. É desnecessário dizer que essa tecnologia não está nem próxima e nunca estará de forma remota. Portanto, os dispositivos estão limitados pelo espaço necessário para o armazenamento químico de energia.

As baterias atuais são cerca de 10% do estado da arte em armazenamento de energia química, o que seria algo como gasolina. No entanto, a gasolina tem um problema com a segurança. Outra opção mais eficiente é a energia nuclear, mas haveria novamente uma questão de segurança para não mencionar um problema de portabilidade. Haverá melhorias incrementais nas baterias no futuro, mas as mudanças serão lentas.

Considerações de custo

Muitos fabricantes de dispositivos IoT investem pouco em segurança para manter seus produtos acessíveis e acelerar o tempo para comercialização. A integração da segurança durante a fase de desenvolvimento pode acrescentar custo e tempo de forma significativa. Entretanto, construir dispositivos IoT com baixa segurança pode resultar em consequências mais prejudiciais não apenas aos clientes, mas também à marca do fabricante — em termos de perda de produtividade, multas legais/conformidades, reputação prejudicada e perdas monetárias.

O padrão sem fio escolhido para os dispositivos IoT pode influenciar o desempenho, usabilidade, segurança e confiabilidade de forma significativa. O padrão mais adequado para um dispositivo IoT depende de sua aplicação. Saber o propósito do dispositivo pode ajudar a determinar os principais requisitos para construí-lo, tais como quanta potência ele precisa para funcionar de forma eficiente, quão rápido deve transmitir dados e quanto tempo a bateria precisa durar.

A equipe de especialistas em desenvolvimento de dispositivos IoT da Voler System pode orientar um projetista na escolha do padrão sem fio certo para máquinas IoT. Entre em contato com um especialista em IoT agora para saber mais sobre como escolher o padrão sem fio certo para qualquer projeto de dispositivo IoT.