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Informação profissional do setor das instalações em Portugal

Transmissão wireless de longo alcance

Carlo Gavazzi19/07/2021
Soluções Carlo Gavazzi IoT para redes públicas e privadas.

Desafio

A monitorização dos consumos de eletricidade, gás e água quer para aplicações de sub metering ou eficiência energética é, muitas vezes, crítica devido às dificuldades na recolha dos dados de forma segura, automática e económica. Tipicamente, o objetivo é recolher os dados de um elevado número de contadores numa vasta área e concentrar a informação num único ponto.

Existem variadas tecnologias que permitem automatizar este processo, mas estas tecnologias são, muitas vezes, inviáveis devido a:

  • Custos operacionais e de comissionamento
  • Condicionalismos na implementação (em particular nas aplicações de retrofiting, onde não é possível instalar cabos de rede).

Nestes casos, uma solução wireless será a opção ideal. Contudo, as tecnologias normalmente utilizadas estão limitadas no que respeita às distâncias de comunicação ou em desvantagem em termos económicos, visto requererem o acesso a redes móveis, por cada ponto de medida, com os custos associados. Além disso, nas zonas urbanas, a situação é particularmente complicada devido a restrições relativas à utilização de bandas de comunicação e interfaces com outros equipamentos.

A tecnologia de base wireless LoRa® foi implementada para transmitir pequenas quantidades de dados a longas distâncias (até 10 km) de forma segura e protegida, através de uma inovadora técnica de modulação de sinal. O utilizador pode instalar quer os emissores/recetores (equipamentos remotos) e o recetor (gateway) sem necessidades de qualquer permissão ou taxas anuais. É consequentemente a solução ótima para as aplicações atrás descritas.

À descoberta de LoRa® e LoRaWAN®

O que é LoRa® e LoRaWAN®

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Figura 1. Solução baseada em LoRa®.

LoRa® (diminutivo de 'Long Range') é uma tecnologia de transmissão wireless baseada em técnicas de modulação por espalhamento espectral (ou sistema SS) derivada da tecnologia CSS (Chirp Spread Spectrum).

Utilizada internacionalmente para as redes de IoT (Internet of Things) as caraterísticas principais da LoRa® são:

  • Operação a baixa potência;
  • Baixo débito (50 kbps max.);
  • Longo alcance de comunicação (até 5 - 10 km);
  • Elevada robustez contra interferências.

LoRaWAN® é um protocolo LPWAN (Low Power, Wide Area Networking) baseado na tecnologia LoRa®. Desenhado para interligar equipamentos (‘Things’) à internet, de forma wireless, o protocolo LoRaWAN® potencializa o espectro de rádio não sujeito a licença na banda ISM (Industrial, Scientific and Medical). A especificação define os parâmetros da camada física do equipamento-infraestrutura e do protocolo LoRaWAN®, que possibilita a interoperabilidade entre equipamentos.

A LoRa Alliance™, associação não lucrativa, promove a estandardização e a harmonização global do protocolo LoRaWAN®.

O protocolo LoRaWAN® cumpre os requisitos essenciais da IoT tais como a comunicação bidirecional e segurança integral (end-to-end)1.

Arquitetura LoRaWAN®

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Figura 2.

Dispositivo final (end device)

O dispositivo final (também referido como nó final - end node) é o sensor ou o dispositivo de medida que transmite os dados via wireless.

Estes dispositivos estão divididos em 3 classes distintas (A, B e C), contudo a maioria dos dispositivos finais disponíveis no mercado são classe A. Tal significa:

  • Transmitem os dados (ligação ascendente - uplink) de acordo com a sua configuração, normalmente a intervalos fixos ou se existir uma determinada condição.
  • Podem receber uma mensagem via ligação descendente (downlink), como por exemplo um sinal de sincronização do relógio, no período após uma transmissão.

Alguns exemplos de dispositivos finais:

  • Sensores de temperatura
  • Contadores de eletricidade, água ou gás
  • Sensores de parqueamento.

Gateway

As Gateways são equipamentos que recebem todos os pacotes de dados LoRa® enviados pelos dispositivos finais que estejam no seu raio de alcance. Estes dados são em seguida transmitidos para o servidor de rede (network server) de forma transparente, independentemente de os dispositivos estarem ou não autenticados na rede e não obstante o mesmo sinal ter sido recebido por outra gateway.

Servidor de rede (network server)

Após remover as mensagens duplicadas ou que tenham origem em dispositivos não pertencentes à respetiva rede, o servidor de rede deve:

  • Encaminhar as mensagens para a devida aplicação final
  • Gerir a comunicação descendente (downlink).

Servidor de aplicações (application server)

Um servidor de aplicações é um software (software framework) responsável por:

  • Processamento dos pedidos
  • Processamento e encriptação dos dados.

Disponibiliza ambos os recursos para desenvolvimento de aplicações web e um ambiente servidos para correr as respetivas aplicações.

Comparação de tecnologias Wireless

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Soluções Carlo Gavazzi long-range wireless

A Carlo Gavazzi desenvolveu uma solução baseada em LoRa® que permite criar um sistema wireless de recolha de dados dos medidores da Carlo Gavazzi.

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Figura 3.

A solução baseia-se em dois equipamentos:

  • Unidade UWPA, adaptador de terminal de rede, que proporciona uma comunicação wireless de longo alcance LoRaWAN® e porta de comunicação RS485 para os medidores Carlo Gavazzi.
  • Unidade UWPM é um concentrador mestre que permite via UWP3.0 recolher os dados de múltiplos UWPA via comunicação wireless de longo alcance.

É necessário:

  • UWPA para integrar os medidores Carlo Gavazzi numa rede wireless LoRaWAN® existente [ver Public (LoRaWAN®) Networks];
  • Ambos UWPM e UWPA para criar uma rede wireless apenas de dispositivos Carlo Gavazzi [ver Private (UWP 3.0) Networks], ligando os medidores Carlo Gavazzi, a gateway universal UWP 3.0 e a unidade de controlo.
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Figura 4.

Aplicações

Como exemplos das melhores aplicações para sistemas wireless de longo alcance tem-se a Monitorização de Eficiência Energética, Alocação de Custos Energéticos, Sub-medição (Sub-metering) em grandes edifícios e instalações, Explorações Agrícolas/Explorações Pecuárias e Zonas Urbanas. Graças à longa distância de transmissão, segurança e robustez de comunicação, as redes wireless podem ser facilmente instaladas e colocadas em serviço, sem a necessidade de adquirir cartões SIM ou instalar redes móveis dispendiosas.

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Figura 5.

Alocação de custos e eficiência energética (smart city)

Sempre que o utilizador esteja perante um projeto focado na sub-medição, alocação de custos ou no domínio da eficiência energética, a necessidade de minimização de custos (Custo Total de Aquisição - TCO (Total Cost of Ownership) é sempre um fator importante a ter em conta. A solução wireless de longo alcance da Carlo Gavazzi enquadra-se perfeitamente neste cenário.

Rede (LoRaWAN®) pública

A unidade de comunicação LoRaWAN® comunica com a gateway que faz parte da infraestrutura pública (por exemplo uma rede de distribuição de energia).

Arquitetura

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Figura 6.

Porquê escolher uma solução em rede pública aberta?

Caso necessite de conectar os medidores a uma rede pública ou privada LoRaWAN® através de uma gateway LoRa® existente.

Rede (UWP 3.O) privada

A unidade de comunicação wireless de longa distância comunica com uma unidade gateway, ambas a comunicar na banda ISM.

Arquitetura  

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Figura 7.

Porquê escolher uma solução em rede privada (UWP)?

Caso necessite de configurar uma rede wireless independente a funcionar na banda livre ISM.

Integração do UWP 3.0 

UWP 3.0 é uma gateway que:

  • Permite a monitorização dos equipamentos ligados através de diferentes bus e protocolos de comunicação
  • Possui um web server que permite visualizar dados em tempo real ou em gráficos
  • Permite o intercâmbio de dados localmente ou remotamente via protocolos internet standard.

Com a utilização do UWPM - concentrador mestre (master concentrator) - o UWP3.0 é capaz de obter dados de múltiplos UWPA’s. Estes UWPA’s transmitem os dados obtidos dos medidores Carlo Gavazzi, via comunicação wireless baseada em LoRa®.

A integração é muito simples e intuitiva, dado que basta importar para o UWP3.0 a configuração gerada pelo software UCS que contém toda a informação configurada nas diversas unidades UWPA’s.

Quantas unidades UWPA podem ser integradas num UWP3.0?

Por cada UWPM ligado ao UWP 3.0, é possível conectar até 50 UWPA.

Tal como num sistema wireless standard, quanto maior é o número de equipamentos e de dados transmitidos, maior a possibilidade de interferências. Nestes casos, será necessário incrementar o intervalo de transmissão por forma a garantir uma maior fiabilidade.

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Figura 8.

Vantagens

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Conclusão

As novas tecnologias wireless de longo alcance são a solução ideal para redes privadas ou redes públicas em cidades em que pequenas quantidades de dados são transmitidas por múltiplos dispositivos e em que o custo de propriedade deverá ser o mais baixo possível.

A solução Carlo Gavazzi permite criar redes wireless de longo alcance para recolha de dados dos medidores Carlo Gavazzi.

Os pontos mais importantes da nossa solução são:

  • Alcance da comunicação (até 10 km)
  • Resistência às interferências (Imunidade)
  • Segurança da rede (encriptação AES 128)
  • Comunicação bidirecional (Confirmação de sinal e sincronização do relógio)
  • Variedade de aplicações (públicas e privadas).

O objetivo deste artigo é clarificar o âmbito de aplicação da LoRaWAN®, explorando os limites da tecnologia e descrever a solução da Carlo Gavazzi.

Mais informações

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Aviso

LoRa® e LoRaWAN® são marcas registadas da LoRa Alliance™. LoRa Alliance™ é a seguir designada como Companhia. A Carlo Gavazzi não tem relações comerciais com a Companhia. A Carlo Gavazzi não dá garantia expressa, implícita ou estatutária em relação a informações contidas neste documento. O conteúdo da informação é, “tal como está”, e os pontos de vista expressos neste documento, incluindo os url e outras referências de páginas web podem ser alteradas sem aviso prévio. Este documento não garante quaisquer direitos legais a qualquer propriedade intelectual aos produtos da Carlo Gavazzi ou da Company. Pode copiar e utilizar este documento apenas para efeitos da sua própria referência.

1 LoRa aliance (2015): https://lora-alliance.org/sites/default/files/2018-04/what-is-lorawan.pdf

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