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As tecnologias de rede de IoT mudaram completamente a maneira como nos conectamos e interagimos em nosso mundo digital! Hoje, protocolos sem fio e padrões de comunicação desempenham um papel fundamental em quase todos os aspectos das implantações de IoT, desde cidades inteligentes, veículos conectados, monitoramento ambiental e muito mais. De acordo com a IoT Analytics, o mercado global de dispositivos de IoT conectados pode atingir 18.8 bilhões unidades até o final de 2024, um crescimento de 13% em relação a 2023. Enquanto isso, com o aumento exponencial do número de dispositivos conectados, nunca houve tanta necessidade de tecnologias de comunicação robustas, escaláveis e eficientes. Nesta publicação, analisamos alguns dos protocolos amplamente utilizados para comunicações de IoT. Espero que você entenda melhor as principais soluções de rede de IoT antes de fazer suas escolhas.
O quê É uma rede IoT?
Redes de IoT referem-se à forma como os dispositivos de IoT se conectam e se comunicam entre si e com os sistemas centrais. Isso cria um ecossistema autônomo de dispositivos inteligentes trabalhando em conjunto.
Normalmente, um ecossistema de IoT consiste em quatro camadas principais: dispositivos, dados, tecnologias de conectividade e usuários. Como você pode ver, essas camadas formam os blocos de construção de uma rede de IoT, e a arquitetura da rede é a espinha dorsal que permite a comunicação eficiente entre todos os elementos.
Não é de se surpreender que as redes de IoT precisem de uma tecnologia de comunicação robusta que permita conectividade perfeita entre dispositivos. Esses protocolos de rede atendem ao mesmo propósito que a linguagem na comunicação humana. Basicamente, eles são projetados especificamente para os requisitos exclusivos dos dispositivos de IoT. Há considerações especiais em termos de consumo de energia, alcance, largura de banda e densidade de dispositivos. Considerando esses requisitos, um aspecto importante do planejamento de um projeto de IoT é escolher o protocolo de IoT correto.
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 em 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 a transmissão sem fio em curtas distâncias. Normalmente, seu alcance de transmissão é de dezenas ou centenas de metros. Exemplos comuns incluem Bluetooth, Wi-Fi, Zigbee, UWB, NFC e RFID (sem 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 atividades físicas, vemos Bluetooth em todos os lugares.
O mais recente Padrão Bluetooth O Bluetooth 6.0, lançado em setembro de 2024, trouxe novos recursos, como a detecção de canal Bluetooth. No entanto, o padrão atualmente mais utilizado é o Bluetooth 4.0, 5.0 e versões superiores. O Bluetooth 5.0 oferece velocidades de transmissão de até 2 Mbit/s, enquanto o Bluetooth 4.2 oferecia até 1 Mbit/s.
Para solucionar a deficiência do Bluetooth em termos de consumo de energia, foi introduzido o Bluetooth Low Energy (BLE). O desenvolvimento desse protocolo foi bem-sucedido e obteve ampla adoção em todo o mundo. Uma das principais razões é que ele mantém a compatibilidade com os dispositivos Bluetooth existentes, oferecendo, ao mesmo tempo, 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. O BLE usa a mesma banda ISM de 2.4 GHz que o Bluetooth. Ao contrário do Bluetooth clássico, que suporta até 7 dispositivos conectados a um único dispositivo mestre, o BLE permite até 128 dispositivos. O BLE usa 40 canais de 2 MHz de largura e utiliza um algoritmo de salto de frequência adaptável para otimizar o desempenho e minimizar a interferência.
Wi-fi
O Wi-Fi representa 31% do total de conexões IoT. Aqui, discutiremos o rádio Wi-Fi tradicional, bem como o Wi-Fi HaLow (802.11ah), projetado especificamente para aplicações IoT de longo alcance e baixo consumo de energia.
O WiFi 6 utiliza as mesmas bandas ISM de 2.4 GHz e 5 GHz de outros protocolos sem fio, com o 6E adicionando suporte à 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 da potência de transmissão. Ao contrário da arquitetura ponto a ponto do Bluetooth, o WiFi segue uma topologia de rede em estrela, na qual os dispositivos se conectam por meio de um ponto de acesso central (roteador).
O Wi-Fi 6/6E (802.11ax), lançado em 2021, é o padrão mais popular atualmente. Em termos de velocidade, ele pode atingir até 9.6 Gbps — mais rápido que o Wi-Fi 5 (802.11ac), que chegava a 3.5 Gbps. É provável que você já tenha visto dispositivos com os padrões mais antigos, 802.11ac/n/g. Graças à retrocompatibilidade do Wi-Fi, esses dispositivos antigos ainda funcionam com os dispositivos que utilizam o padrão mais recente. Os padrões mais recentes de Wi-Fi oferecem um alcance maior do que os antigos.
O WiFi HaLow opera abaixo de 1 GHz. Ele oferece melhor penetração em paredes e maior alcance (até 1 km) com menor consumo de energia. No entanto, a tecnologia não foi amplamente adotada pela indústria, como vimos com o Bluetooth LE.
Um ponto importante a ser observado é que o WiFi suporta centenas de conexões simultâneas a um único ponto de acesso, embora limitações práticas muitas vezes reduzam esse número com base na configuração da rede.
ZigBee
ZigBee é um padrão de comunicação sem fio de baixo custo e baixo consumo de energia, projetado para redes de área pessoal (RPAs). Foi desenvolvido especificamente para aplicações industriais e de automação residencial. O ZigBee pode não ser tão onipresente quanto o Wi-Fi, mas está se tornando cada vez mais comum em casas inteligentes — lâmpadas, termostatos e sensores de segurança, entre outros.
Surgiu em 2002, com a formação da ZigBee Alliance (hoje Connectivity Standards Alliance). Atualmente, conta com grandes organizações como Philips, Texas Instruments, Samsung e Amazon para desenvolver o protocolo ZigBee.
Para ser honesto, o 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 o padrão 802.15.4. A melhor parte do ZigBee é que ele é um protocolo aberto que pode suportar até 65,000 nós em uma única rede. O 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 cada rede ZigBee)
- Roteadores (intermediário para transmissão de dados)
- Dispositivos ZigBee End (falam apenas com o nó pai, principalmente no modo de espera)
A Texas Instruments e a Silicon Labs são os principais fornecedores de chips ZigBee.
UWB
UWB (banda ultralarga) é um dos protocolos de comunicação emergentes. Você provavelmente ainda não o viu em muitos dispositivos, mas está ganhando adoção rapidamente. De smartphones a chaves de carro, de dispositivos domésticos inteligentes a ambientes industriais, vemos o UWB aparecendo cada vez mais na tecnologia moderna.
Assim como outras tecnologias de rádio, a UWB opera em um espectro definido, mas, diferentemente dos sistemas de banda estreita, espalha a transmissão por uma ampla faixa de frequência de 3.1 GHz a 10.6 GHz. Seu alcance típico é de 1 a 50 metros e funciona melhor na linha de visão entre dispositivos ou âncoras.
A banda ultralarga utiliza canais com largura de pelo menos 500 MHz, em comparação com os canais de 1 MHz ou 2 MHz do Bluetooth. A UWB também utiliza transmissão de pulso ultracurto, o que lhe confere maior precisão de posicionamento do que os sistemas de banda estreita.
A densidade espectral de potência máxima para transmissão UWB é de 41.3 dBm/MHz. Isso equivale a cerca de 0.5 mW de potência média de transmissão. Isso ajuda a minimizar a interferência com os sistemas de banda estreita existentes, como Wi-Fi ou Bluetooth. A baixa potência também torna a UWB segura. Os sinais são difíceis de interceptar devido à sua ampla dispersão de frequência e baixa densidade de potência.
Comparação de tecnologias de rede IoT de curto alcance
| Inovadora | Bluetooth (BLE) | Wi-fi | ZigBee | UWB |
| Variação | 10-100m | 50-100m em ambientes fechados | 10-100m | 10m |
| Taxa de dados | 1 2-Mbps | Até 1 Gbps+ | Kbps 250 | Até 27 Mbps |
| Consumo de energia | Muito baixo | Alto | Muito baixo | Baixo |
| Banda 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
– Suporte de rede ampla – Malha auto-reparadora |
– Posicionamento preciso
- Alta seguranca – Imune a interferências |
| Contras | - Faixa limitada
– Nós limitados – Interferência potencial |
– Alto consumo de energia
– Vida útil limitada da bateria - Congestionamento de rede |
– Baixa taxa de dados
– Curto alcance – Implementação complexa |
– Alcance limitado
– Custo mais alto – Adoção limitada |
| Principais aplicações | Wearables, casa inteligente, posicionamento interno, rastreamento de ativos, ponto de interesse | Automação residencial, streaming de vídeo, aplicações de alta largura de banda | Automação residencial, Controle industrial, Redes de sensores | Posicionamento interno, Rastreamento de ativos, Acesso seguro |
Tecnologias populares de IoT sem fio de longo alcance
Agora, focaremos nossa discussão nas tecnologias sem fio de longo alcance e como a IoT se beneficiou com esses protocolos. Essas tecnologias são a base das LPWANs, cobrindo distâncias que variam de alguns quilômetros a milhares de quilômetros. Aqui, apresentaremos as redes LoRa, Sigfox e celulares.
LoRa e LoRaWAN
LoRa é um protocolo sem fio que proporciona transmissão de dados segura, de longo alcance e baixo consumo de energia. Ele é baseado na modulação de espectro espalhado por chirp, o que significa que você pode se comunicar a grandes distâncias sem usar muita energia. Ele preenche a lacuna entre as redes locais sem fio de curto alcance, como Bluetooth e Wi-Fi, 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 a administra. Não é surpresa que tenha se tornado uma das maiores alianças do setor de tecnologia. A LoRa Alliance não apenas apoia a LoRaWAN, mas também promove a interoperabilidade de produtos e tecnologias LoRaWAN.
O LoRa utiliza bandas de RF sub-GHz (433 MHz, 868 MHz para a Europa, 923 MHz para a Ásia e 915 MHz para a América do Norte e Austrália). Essas bandas de frequência ISM são isentas de licença e estão disponíveis para todos nós em aplicações de IoT. Elas têm um alcance impressionante de 2 a 5 km em áreas urbanas até 15 km ou mais em áreas rurais.
LoRa representa o protocolo da camada física (na camada um do modelo OSI) que permite a comunicação de longo alcance. Esta camada especifica como os bits brutos são transmitidos por um link de dados físico entre os nós da rede. LoRaWAN, um protocolo de rede que opera na camada três do modelo OSI, é construído sobre LoRa e gerencia a comunicação entre os dispositivos finais e um servidor de rede central.
Para abordar vários casos de uso, o LoRaWAN define três classes de dispositivos: dispositivos Classe A (menor potência, todos os uplinks iniciados), dispositivos Classe B (slots de recebimento agendados) e dispositivos Classe C (escuta contínua).
Sigfox
Sigfox é uma tecnologia LPWAN pioneira projetada para aplicações de IoT que exigem comunicação de longo alcance com consumo mínimo de energia. Ela utiliza a tecnologia de Banda Ultra Estreita (UNB), com cada mensagem ocupando apenas 100 Hz de largura de banda.
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. Essa baixa taxa de transmissão, combinada com a largura de banda estreita, resulta em excelente sensibilidade e baixíssimo consumo de energia. As transmissões típicas consomem cerca de 20 a 30 mA por alguns segundos, proporcionando longa duração da bateria — muitas vezes, anos com uma única bateria. Ele pode atingir até 40 km em áreas rurais e 3 a 10 km em ambientes urbanos.
O 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.
Diferentemente do LoRaWAN, o Sigfox foi projetado com simplicidade em mente, transferindo a maior parte da complexidade para a rede, e não para os dispositivos finais. Essa abordagem permite uma implementação muito simples e com baixo consumo de energia nos dispositivos finais.
Redes celulares
As redes celulares processam uma quantidade incrível de nossas comunicações e são uma das tecnologias de comunicação mais fundamentais do nosso mundo moderno. Do 2G ao mais recente 5G, e tecnologias especializadas focadas em IoT, como LTE-M e NB-IdCAs redes celulares representam cerca de 20% das conexões globais da IoT.
As redes celulares operam com base em uma arquitetura celular, onde as áreas geográficas são divididas em células. Cada célula é atendida por pelo menos um transceptor de localização fixa, conhecido como estação base. Essas células trabalham juntas em um padrão semelhante a um favo de mel para fornecer cobertura contínua em grandes áreas.
A tecnologia evoluiu muito desde a década de 1980, quando as redes 1G mal conseguiam lidar com chamadas de voz. Estamos realmente na era do 5G (US$ 98.3 bilhões em 2023) e estamos implantando NB-IoT, LTE-M e 5G como parte do ecossistema mais amplo da IoT Celular. Uma das principais vantagens da IoT Celular é a capacidade de aproveitar a infraestrutura celular existente e, ao mesmo tempo, otimizar para atender às necessidades específicas da IoT. É importante ressaltar que as redes celulares não são gratuitas.
Comparação de tecnologias de rede IoT de longo alcance
| Inovadora | LoRa/LoRaWAN | Sigfox | Celular (4G/5G) | NB-IdC |
| Variação | 2-15km | Até 40km | Vários quilômetros | 1-10km |
| Taxa de dados | 0.3 50 Kbps | 100 bps | Até 1 Gbps+ | Kbps 250 |
| Consumo de energia | Muito baixo | Muito baixo | Alto | Baixo |
| Banda 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 na edificação
– 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 – Mensalidades |
– Dependência de rede
– Maior latência – Limitações de cobertura |
| Principais aplicações | Rastreamento de ativos, Gestão de estacionamento, Monitoramento ambiental, Sensoriamento agrícola, Medição inteligente | Rastreamento de ativos, Monitoramento ambiental | Veículos conectados, Cidades inteligentes, Aplicativos móveis | Medição inteligente, rastreamento de ativos |
O quê IoT nrede technology é certo para mim?
Faz sentido usar redes de IoT porque elas podem conectar e gerenciar dispositivos em cenários desafiadores. Em particular, as redes de IoT estão crescendo no mundo conectado, levando em consideração 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, o custo e o desempenho do seu projeto. Antes de se aprofundar em tecnologias específicas, faça a si mesmo estas perguntas essenciais:
– Onde os dispositivos serão usados? Serão usados em ambientes internos ou externos?
– Qual é o alcance que você precisa cobrir? Metros, quilômetros ou algo entre os dois?
– Quantos dados você transmitirá e com que frequência?
– Qual é o seu orçamento de energia? Você usa baterias ou energia da rede 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 devem ajudar você a começar a usar a maioria dos projetos de IoT.
Curto-range ttecnologias em praciocínio
Para tecnologias de comunicação sem fio de curto alcance, Wi-fi Oferece transmissão de dados de alta velocidade. Domina a cobertura de redes sem fio em residências e espaços públicos. Como muitos edifícios já possuem Wi-Fi, é ideal para aplicações de IoT, como casas inteligentes, câmeras de segurança e soluções integradas de rastreamento.
No espaço do consumidor, Bluetooth Low Energy Mostra clara dominância. Tornou-se a escolha preferida para serviços de localização de curto alcance devido a considerações de custo. O mercado reflete isso – as remessas de dispositivos de serviços de localização Bluetooth atingiram 255 $ Milhões Em 2024, o BLE também está se fortalecendo em casas inteligentes. Com sua inclusão no padrão Matter, veremos ainda mais aplicações para casas inteligentes surgirem.
Zigbee é outro elemento fundamental que não pode ser ignorado em casas inteligentes. Atualmente, é mais utilizado em automação industrial e aplicações para casas inteligentes. A rede mesh do Zigbee pode expandir a distância de conexão e suportar mais nós de rede.
UWB A tecnologia ainda não atingiu os mesmos níveis de adoção que as três primeiras. Sua principal vantagem é o posicionamento preciso em nível centimétrico. No entanto, ela apresenta custos de implantação relativamente mais elevados. Isso a torna mais adequada para casos de uso específicos que exigem rastreamento de localização preciso.
longo-range ttecnologias em praciocínio
Para tecnologias IoT sem fio de longo alcance, LoRa e LoRaWAN Estão na vanguarda de muitas implementações de IoT. Oferecem cobertura impressionante com consumo de energia muito baixo. O LoRaWAN funciona muito bem quando seus dispositivos precisam operar com bateria por longos períodos e toleram alguma latência na transmissão de dados. A tecnologia é comumente usada em rastreamento de animais, rastreamento de veículos, gerenciamento de estacionamentos, monitoramento ambiental, sensores agrícolas e medição de serviços públicos.
Sigfox Possui um design mais simplificado do que o LoRaWAN. Foi projetado para reduzir o custo e a complexidade dos dispositivos, embora isso signifique sacrificar taxas de dados. Embora Sigfox e LoRaWAN possam, por vezes, servir a propósitos semelhantes, você deve optar pelo LoRaWAN se precisar de redes privadas ou comunicação bidirecional.
NB-IoT e LTE-M Uma grande vantagem é a possibilidade de utilizar a infraestrutura celular existente. Essas tecnologias se sobrepõem a algumas aplicações LoRaWAN e Sigfox, principalmente no rastreamento de ativos em grandes áreas geográficas. O setor de logística adotou particularmente as soluções de rastreamento baseadas em redes celulares. No entanto, as opções celulares têm custos mais elevados devido às taxas de assinatura.
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