Um mergulho profundo nas tecnologias de rede IoT: Principais soluções para 2025

Índice

As tecnologias de rede IoT mudaram completamente a forma como nos conectamos e interagimos em nosso mundo digital.! Hoje, protocolos sem fio e padrões de comunicação desempenham um papel importante em quase todos os aspectos das implantações de IoT, desde cidades inteligentes, veículos conectados, monitoramento ambiental e muito mais. De acordo com IoT Analytics, o mercado global de dispositivos IoT conectados poderia atingir 18.8 bilhão unidades até o final de 2024, um crescimento de 13% de 2023. Entretanto, à medida que o número de dispositivos conectados explode, nunca há uma necessidade maior de robustez, tecnologias de comunicação escaláveis ​​e eficientes. nesta postagem, verificamos alguns dos protocolos amplamente utilizados para comunicações IoT. Espero que você obtenha uma compreensão mais profunda das principais soluções de rede IoT antes de fazer escolhas.

O que é rede IoT

Rede IoT refere-se a como os dispositivos IoT se conectam e se comunicam entre si e com os sistemas centrais. Isso cria um ecossistema autônomo de dispositivos inteligentes trabalhando juntos.

Tipicamente, um ecossistema IoT consiste em quatro camadas principais: dispositivos, dados, tecnologias de conectividade, e os usuários. Como você pode ver, essas camadas formam os blocos de construção de uma rede IoT, e a arquitetura da rede é a espinha dorsal que permite a comunicação eficiente entre todos os elementos.

Não deveria ser surpresa que as redes IoT precisem ter uma tecnologia de comunicação robusta que permita conectividade perfeita entre dispositivos.. Esses protocolos de rede têm o mesmo propósito que a linguagem na comunicação humana.. Basicamente, eles são projetados especificamente para os requisitos exclusivos dos dispositivos IoT. Existem considerações especiais em termos de consumo de energia, alcance, largura de banda, e densidade do dispositivo. Dados esses requisitos, um aspecto importante do planejamento de um projeto de IoT é escolher o protocolo de IoT certo.

Em artigos anteriores, discutimos alguns protocolos de rede e suas aplicações adequadas. Aqui, listamos algumas tecnologias sem fio de curto e longo alcance amplamente utilizadas para referência do seu projeto de IoT.

Principais tecnologias de rede IoT de curto alcance

A tecnologia de comunicação sem fio de curto alcance refere-se à tecnologia que realiza transmissão sem fio em distâncias curtas. Tipicamente, seu alcance de transmissão está dentro de dezenas de metros ou centenas de metros. Exemplos comuns incluem Bluetooth, Wi-fi, Zigbee, UWB, NFC e RFID (nenhuma introdução detalhada aqui).

Bluetooth e BLE

Bluetooth é uma das tecnologias sem fio de curto alcance mais comuns. De fones de ouvido sem fio a sistemas automotivos, relógios inteligentes e rastreadores de fitness, vemos Bluetooth em todos os lugares.

O mais recente Padrão Bluetooth é Bluetooth 6.0, que foi lançado em setembro 2024 e trouxe novos recursos como detecção de canal Bluetooth. Contudo, o padrão atual amplamente utilizado é Bluetooth 4.0, 5.0 e acima. O Bluetooth 5.0 oferece velocidades de transmissão de até 2 Mbit/s enquanto 4.2 oferecido até 1Mbit/s.

Para resolver a fraqueza do Bluetooth em relação ao consumo de energia, Bluetooth Low Energy (PASSOU A SER) foi introduzido. O desenvolvimento deste protocolo foi bem-sucedido e teve ampla adoção em todo o mundo. Um dos principais motivos é que isso mantém a compatibilidade com os dispositivos Bluetooth existentes, ao mesmo tempo que oferece um consumo de energia significativamente reduzido..

Precisamos entender que o Bluetooth Low Energy foi projetado especificamente para dispositivos de baixo consumo de energia usados ​​na Internet das Coisas. Ele não substitui nem substitui o Bluetooth clássico existente. BLE usa a mesma banda ISM de 2,4 GHz do Bluetooth. Ao contrário do Bluetooth clássico, que suporta até 7 dispositivos conectados a um único dispositivo mestre, BLE permite até 128 dispositivos. BLE usa 40, 2 Canais de largura de MHz e utiliza um algoritmo de salto de frequência adaptativo para otimizar o desempenho e minimizar a interferência.

Wi-fi

Contas Wi-Fi para 31% do total de conexões IoT. Aqui, discutiremos o rádio WiFi tradicional, bem como o WiFi HaLow (802.11ah), que é projetado especificamente para aplicações IoT de longo alcance e baixo consumo de energia.

Wi-fi 6 usa as mesmas bandas ISM de 2,4 GHz e 5 GHz que outros protocolos sem fio, com 6E adicionando suporte para a banda de 6 GHz. O alcance varia significativamente de 10 m em ambientes internos a mais de 100 m em ambientes externos, dependendo de fatores ambientais e potência de transmissão. Ao contrário da arquitetura ponto a ponto do Bluetooth, WiFi segue uma topologia de rede em estrela, onde os dispositivos se conectam através de um ponto de acesso central (roteador).

Wi-Fi 6/6E (802.11machado) lançado em 2021 é o padrão popular usado atualmente. Do lado da velocidade, pode atingir até 9.6 Gbps – mais rápido que WiFi 5 (802.11ac) que atingiu o pico em 3.5 Gbps. Provavelmente você já viu dispositivos com padrões mais antigos de 802.11ac/n/g. Devido à compatibilidade com versões anteriores do WiFi, esses dispositivos antigos ainda podem funcionar com novos dispositivos padrão. Os padrões mais recentes de WiFi oferecem um alcance maior do que os mais antigos.

WiFi HaLow opera abaixo de 1 GHz. Oferece melhor penetração na parede e alcances mais longos (até 1 km) enquanto menor potência. mesmo assim, a tecnologia não foi amplamente adotada na indústria como vimos no Bluetooth LE.

Uma coisa importante a notar é que o WiFi suporta centenas de conexões simultâneas a um único ponto de acesso, embora as limitações práticas geralmente reduzam esse número com base na configuração da rede.

ZigBee

ZigBee é um software de baixo custo, padrão de comunicação sem fio de baixo consumo de energia projetado para redes de área pessoal. Foi desenvolvido especificamente para aplicações de automação industrial e residencial. Zigbee pode não ser tão onipresente quanto WiFi, mas está se tornando cada vez mais comum em casas inteligentes – lâmpadas, termostatos e sensores de segurança entre eles.

Ele passou a existir em 2002, quando a Aliança ZigBee (agora Aliança de Padrões de Conectividade) foi formado. Agora tem grandes organizações como a Philips, Instrumentos Texas, Samsung, e Amazon para evoluir o protocolo ZigBee.

Para ser honesto, ZigBee foi projetado especificamente para automação, com fácil configuração e conectividade do dispositivo, baixo consumo de energia para longa duração da bateria, e segurança muito forte.

A arquitetura é construída sobre 802.15.4 padrão. A melhor parte do ZigBee é que ele é um protocolo aberto que pode suportar até 65,000 nós em uma única rede. ZigBee é particularmente notável por seus recursos de rede mesh.

O protocolo ZigBee define três tipos principais de dispositivos na rede:

  • Coordenadores (apenas um em qualquer rede ZigBee)
  • Roteadores (intermediário para transmitir dados)
  • Dispositivos finais ZigBee (Fale apenas com o nó pai, principalmente no modo de suspensão)

Texas Instruments e Silicon Labs são os principais fornecedores de chips ZigBee.

UWB

UWB (banda ultra larga) é um dos protocolos de comunicação emergentes. Você provavelmente ainda não viu isso em muitos dispositivos, mas está ganhando adoção rapidamente. De smartphones a chaves de carro, dispositivos domésticos inteligentes para ambientes industriais, vemos UWB aparecendo cada vez mais na tecnologia moderna.

Como outras tecnologias de rádio, UWB opera em um espectro definido, mas ao contrário dos sistemas de banda estreita, ele espalha a transmissão por uma ampla faixa de frequência de 3.1 GHz para 10.6 GHz. Tem uma gama típica de 1-50 metros, e funciona melhor na linha de visão entre dispositivos ou âncoras.

Ultra Wideband usa canais com pelo menos 500 MHz de largura em comparação com canais de 1 MHz ou 2 MHz do Bluetooth. UWB também usa transmissão de pulso ultracurto, o que proporciona maior precisão de posicionamento do que sistemas de banda estreita.

A densidade espectral de potência máxima para transmissão UWB é 41.3 dBm/MHz. Isto equivale a cerca 0.5 mW de potência média de transmissão. Ajuda a minimizar a interferência com os sistemas de banda estreita existentes, como WiFi ou Bluetooth. O baixo consumo de energia também torna o UWB seguro. Os sinais são difíceis de interceptar devido à sua ampla distribuição de frequência e baixa densidade de potência..

Comparação de tecnologias de rede IoT de curto alcance

Tecnologia Bluetooth (PASSOU A SER) Wi-fi ZigBee UWB
Alcance 10-100m 50-100estou dentro de casa 10-100m 10m
Taxa de dados 1-2 Mbps Até 1 Gbps+ 250 Kbps Até 27 Mbps
Consumo de energia muito baixo Alto muito baixo Baixo
Faixa de frequência 2.4 GHz

 

2.4 GHz, 5 GHz 2.4 GHz 3.1-10.6 GHz
Prós – Baixo consumo de energia

– Amplamente suportado

– Fácil de implementar

– Baixo custo

– Alta taxa de dados

– Compatibilidade universal

– Opções de segurança robustas

– Baixo consumo de energia

– Grande suporte de rede

– Malha autocurativa

– Posicionamento preciso

– Alta seguranca

– Imune a interferências

Contras – Faixa limitada

– Nós limitados

– Interferência potencial

– Alto consumo de energia

– Vida útil da bateria limitada

– Congestionamento de rede

– Baixa taxa de dados

– Curto alcance

– Implementação complexa

– Faixa limitada

– Custo mais alto

– Adoção limitada

Principais aplicações Vestuário, Lar inteligente, Posicionamento interno, Acompanhamento de bens, Ponto de interesse Automação residencial, Transmissão de vídeo, Aplicações de alta largura de banda Automação residencial, Controle industrial, Redes de sensores Posicionamento interno, Acompanhamento de bens, Acesso seguro

Tecnologias populares de IoT sem fio de longo alcance

Agora focaremos nossa discussão nas tecnologias sem fio de longo alcance e em como a IoT se beneficiou por causa desses protocolos.. Essas tecnologias são a base dos LPWANs, cobrindo distâncias de alguns quilômetros a milhares de quilômetros. Aqui, vamos apresentar LoRa, Sigfox, e redes celulares.

LoRa e LoRaWAN

LoRa é um protocolo sem fio que fornece longo alcance, baixo poder, e transmissão segura de dados. É baseado na modulação de espectro espalhado chirp, o que significa que você pode comunicar grandes distâncias sem usar muita energia. Ele preenche a lacuna entre as redes locais sem fio de curto alcance, como Bluetooth e WiFi, e o alcance muito maior das redes celulares.

LoRa e LoRaWAN foram inicialmente desenvolvidos pela Cycleo e posteriormente adquiridos pela Semtech. Hoje, a associação sem fins lucrativos LoRa Alliance administra. Não é surpreendente que tenha se tornado uma das maiores alianças da indústria de tecnologia. LoRa Alliance não apenas suporta LoRaWAN, mas também promove produtos LoRaWAN e interoperabilidade tecnológica.

LoRa utiliza bandas de RF sub-GHz (433MHz, 868MHz para a Europa, 923MHz para a Ásia, 915MHz para América do Norte e Austrália). Essas bandas de frequência ISM são isentas de licença e estão disponíveis para todos nós para aplicações IoT. Tem um alcance impressionante de 2 a 5 km em áreas urbanas até 15 km ou mais em ambientes rurais.

LoRa representa o protocolo da camada física (na camada um do modelo OSI) que permite comunicação de longo alcance. Esta camada especifica como os bits brutos são transmitidos através de um link de dados físico entre nós da rede.. LoRaWAN, um protocolo de rede operando na camada três do modelo OSI, é construído sobre LoRa e lida com a comunicação entre dispositivos finais e um servidor de rede central.

Para abordar vários casos de uso, LoRaWAN define três classes de dispositivos: Dispositivos de classe A (potência mais baixa, todo o uplink iniciado), Dispositivos classe B (slots de recebimento agendados), e dispositivos Classe C (escuta contínua).

Sigfox

Sigfox é uma tecnologia LPWAN pioneira projetada para aplicações IoT que exigem comunicação de longo alcance com consumo mínimo de energia. Ele usa banda ultra estreita (UNB) tecnologia, com cada mensagem ocupando apenas um 100 Largura de banda Hz.

O protocolo Sigfox opera em bandas ISM não licenciadas (868 MHz na Europa, 915 MHz na América do Norte) e oferece taxas de dados de apenas 100 ou 600 bits por segundo. Esta taxa de transmissão lenta, combinado com a largura de banda estreita, resulta em excelente sensibilidade e consumo de energia muito baixo. As transmissões típicas usam cerca de 20–30 mA por alguns segundos, proporcionando longa vida útil da bateria - muitas vezes durando anos com uma única bateria. Pode atingir até 40 km em áreas rurais e 3–10 km em ambientes urbanos.

Sigfox é um protocolo assimétrico, o que significa que as capacidades de uplink e downlink diferem significativamente. Os dispositivos finais podem enviar até 140 mensagens por dia, com cada mensagem limitada a 12 bytes de carga útil. As mensagens de downlink são limitadas a 8 mensagens por dia com 8 bytes cada.

Diferente de LoRaWAN, Sigfox foi projetado com a simplicidade em mente, empurrando a maior parte da complexidade para o lado da rede, e não para os dispositivos finais. Esta abordagem permite uma implementação de dispositivo final muito simples e energeticamente eficiente.

Redes celulares

As redes celulares lidam com uma quantidade incrível de nossas comunicações, e é uma das tecnologias de comunicação mais fundamentais em nosso mundo moderno. Do 2G ao mais recente 5G, e tecnologias especializadas focadas em IoT, como LTE-M e NB-IoT, redes celulares representa cerca de 20% de conexões IoT globais.

As redes celulares operam no que chamamos de arquitetura celular, onde as áreas geográficas são divididas em células. Cada um servido por pelo menos um transceptor de local fixo conhecido como estação base. Essas células trabalham juntas em um padrão semelhante a um favo de mel para fornecer uma cobertura contínua em grandes áreas.

A tecnologia percorreu um longo caminho desde a década de 1980, quando as redes 1G mal conseguiam lidar com chamadas de voz. Estamos realmente na era 5G ($98.3 bilhão 2023) e estão implantando NB-IoT, LTE-M e 5G como parte do ecossistema mais amplo de IoT celular hoje. Uma das principais vantagens da IoT Celular é a capacidade de aproveitar a infraestrutura celular existente e, ao mesmo tempo, otimizar as necessidades exclusivas da IoT.. Importante, As redes celulares não são gratuitas.

Comparação de tecnologias de rede IoT de longo alcance

Tecnologia LoRa/LoRaWAN Sigfox Celular (4G/5G) NB-IoT
Alcance 2-15km Até 40km Vários quilômetros 1-10km
Taxa de dados 0.3-50 Kbps 100 bps Até 1 Gbps+ 250 Kbps
Consumo de energia muito baixo muito baixo Alto Baixo
Faixa de frequência Sub-GHz Sub-GHz Bandas licenciadas Bandas licenciadas
Prós – Longo alcance

– Excelente duração da bateria

– Boa penetração

– Alcance ultralongo

– Potência muito baixa

– Implantação simples

– Cobertura universal

– Alta fiabilidade

– Alta taxa de dados

– Boa penetração no edifício

– Espectro licenciado

– Bateria de longa duração

Contras – Baixa taxa de dados

– Dependência de gateway

– Restrições regionais

– Taxa de dados extremamente baixa

– Assinatura necessária

– Mensagens limitadas por dia

– Alto consumo de energia

– Caro

– Taxas mensais

– Dependência de rede

– Maior latência

– Limitações de cobertura

Principais aplicações Acompanhamento de bens, Gestão de estacionamento, Monitoramento ambiental, Sensoriamento agrícola, Medição inteligente Acompanhamento de bens, Monitoramento ambiental Veículos conectados, Cidades inteligentes, Aplicativos móveis Medição inteligente, Acompanhamento de bens

O que IoT nrede ttecnologia é certo para mim?

Faz sentido usar redes IoT porque elas podem conectar e gerenciar dispositivos em cenários desafiadores. Em particular, As redes IoT estão crescendo no mundo conectado, levando em conta variáveis ​​como escala massiva, diversos tipos de dispositivos, e requisitos de operação em tempo real.

A tecnologia de conectividade é uma das decisões mais cruciais que você terá que tomar ao desenvolver um projeto de IoT. A escolha aqui determinará até certo ponto o sucesso, custo, e desempenho do seu projeto. Antes de mergulhar em tecnologias específicas, pergunte a si mesmo estas perguntas essenciais:

– Onde os dispositivos serão usados? Eles serão usados ​​em ambientes internos ou externos?

– Que faixa você precisa cobrir? São metros, quilômetros, ou em algum lugar entre?

– Quantos dados você transmitirá, e com que frequência?

– Qual é o seu orçamento de energia? Você está funcionando com baterias ou energia elétrica?

– Qual infraestrutura de rede existe no seu local de implantação?

– Quais são os seus requisitos de segurança?

– Qual é o seu orçamento para custos de hardware e conectividade contínua?

As tecnologias que abordamos acima não são uma lista exaustiva de tipos de conexão, mas eles devem colocar você em funcionamento em quase todos os projetos de IoT.

Curto-Ranjo ttecnologias em pato

Para tecnologias de comunicação sem fio de curto alcance, WiFi fornece transmissão de dados de alto rendimento. Domina a cobertura de rede sem fio em residências e espaços públicos. Como muitos edifícios já possuem WiFi, é ideal para aplicações IoT, como casas inteligentes, câmeras de segurança, e soluções integradas de rastreamento.

No espaço do consumidor, Bluetooth Low Energy mostra claro domínio. Tornou-se a escolha preferida para serviços de localização de curto alcance devido a considerações de custo. O mercado reflete isso – Remessas de dispositivos de serviços de localização Bluetooth alcançadas $255 Milhão no 2024. BLE também está crescendo forte em casas inteligentes. Com sua inclusão no padrão Matter, veremos surgir ainda mais aplicativos domésticos inteligentes.

Zigbee é outro jogador importante que não pode ser ignorado em casas inteligentes. Atualmente é mais usado em automação industrial e aplicações domésticas inteligentes. A rede mesh do Zigbee pode expandir a distância de conexão e suportar mais nós de rede.

A tecnologia UWB não atingiu os mesmos níveis de adoção das três primeiras. Sua principal vantagem é o posicionamento preciso em nível centimétrico. Contudo, ele vem com custos relativos de implantação mais altos. Isso o torna mais adequado para casos de uso específicos que exigem rastreamento de localização preciso.

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Para tecnologias IoT sem fio de longo alcance, LoRa e LoRaWAN estão liderando o caminho em muitas implantações de IoT. Eles oferecem uma cobertura impressionante com consumo de energia muito baixo. LoRaWAN funciona muito bem quando seus dispositivos precisam operar com bateria por longos períodos e pode tolerar alguma latência na transmissão de dados. A tecnologia encontra uso comum no rastreamento de animais, rastreamento de veículos, gestão de estacionamento, monitoramento ambiental, detecção agrícola, e medição de utilidades.

Sigfox tem um design mais simplificado que o LoRaWAN. Ele foi projetado para reduzir o custo e a complexidade do dispositivo, embora isso signifique sacrificar as taxas de dados. Embora Sigfox e LoRaWAN às vezes possam servir a propósitos semelhantes, você deve optar pelo LoRaWAN se precisar de redes privadas ou comunicação bidirecional.

NB-IoT e LTE-M trazem uma grande vantagem – eles podem usar a infraestrutura celular existente. Essas tecnologias se sobrepõem a alguns aplicativos LoRaWAN e Sigfox, especialmente ao rastrear ativos em amplas áreas geográficas. O setor de logística adotou particularmente soluções de rastreamento baseadas em celular. Contudo, as opções de celular vêm com custos mais altos devido às taxas de assinatura.

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Escrito por --
YK Huang
YK Huang
YK é um gerente de produto experiente na R da MOKOSMART&Departamento D com mais de uma década de experiência em desenvolvimento de dispositivos inteligentes. Ele é certificado PMP e NPDP, aumentando seu conhecimento de como navegar em equipes multifuncionais. Tendo utilizado insights baseados em dados para lançar com sucesso mais de 40 produtos conectados. Com formação em Eletrônica & Engenharia, A YK funciona bem na transformação de propostas de valor técnico complexas em soluções de IoT fáceis de usar para aplicações de consumo e industriais.
YK Huang
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YK é um gerente de produto experiente na R da MOKOSMART&Departamento D com mais de uma década de experiência em desenvolvimento de dispositivos inteligentes. Ele é certificado PMP e NPDP, aumentando seu conhecimento de como navegar em equipes multifuncionais. Tendo utilizado insights baseados em dados para lançar com sucesso mais de 40 produtos conectados. Com formação em Eletrônica & Engenharia, A YK funciona bem na transformação de propostas de valor técnico complexas em soluções de IoT fáceis de usar para aplicações de consumo e industriais.
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