O que é LoRa? Como funciona a rede e protocolo LoRaWAN

Vivemos, no momento da escrita deste post, uma era muito singular da tecnologia, onde a oferta de hardware e oferta de conectividade são vastas. Em outras épocas da tecnologia, a escassez era sempre uma constante, algo que felizmente não acontece nos dias atuais. LoRa, uma tecnologia de comunicação sem fio de longo alcance, é uma das principais responsáveis por essa mudança.

Uma das consequências diretas disso foi a popularização da Internet das Coisas, onde dispositivos físicos são capazes de interagir com sistemas em nuvem e, nesta combinação, transformar dados gerados em campo em informações úteis e valores para uma operação ou negócio. Um dos pontos fundamentais da Internet das Coisas é justamente a conectividade que consiste, em poucas palavras, no elo entre os dispositivos distribuídos pelos mais diferentes lugares do planeta e os sistemas em nuvem. Uma das mais promissoras formas de conectividade atualmente é o LoRaWAN (protocolo de rede que utiliza o LoRa como canal de comunicação), projetada para dispositivos que trafegam poucos dados ao dia e que demandam baixíssimo consumo energético e longo alcance entre dispositivo-rádio base (gateway).

Neste post, será dada uma introdução ao LoRa e LoRaWAN, objetivando mostrar o que cada um deles significa.

O que é LoRa?

Antes de prosseguir na leitura deste post é fundamental que você tenha consciência de que LoRa e LoRaWAN são coisas distintas. Muito provavelmente, você já deve ter ouvido falar (ou ter lido) por aí sobre LoRa, assim como já deve ter ouvido ou lido a palavra LoRaWAN em sites de tecnologia, seminários, webinars e até mesmo em conversas com amigos e colegas de profissão. Apesar da semelhança dos nomes e do que popularmente se fala, LoRa e LoRaWAN não devem ser confundidos.

LoRa (acrônimo para Long Range) corresponde à tecnologia de comunicação para longas distâncias, com baixo consumo de energia elétrica. LoRa limita-se, portanto, a camada física / rádio LoRa. Quando falamos de LoRa, estamos falando de uma comunicação sem fio transparente e em broadcast, ou seja: desde que na mesma frequência de operação, a transmissão de um nó LoRa vai para todos nós LoRa no entorno e, consequentemente, todas as mensagens LoRa transmitidas por um nó são recebidas por todos nós no entorno. Isso está ilustrado na figura 1. Em suma, o LoRa consiste, em termos de topologia, numa comunicação em estrela.

Figura 1 – emissor (E) e receptores (R) na topologia estrela do LoRa

No LoRa “puro” não há endereçamento, gerenciamento de colisão de pacotes e nada mais que uma rede propriamente dita oferece. É pura e simplesmente uma comunicação transparente e sem fio.

O uso do rádio LoRa tem como principais atrativos os seguintes itens:

Longo alcance: Quando bem projetada e dependendo do ambiente de aplicação, a comunicação pode alcançar até vários quilômetros de distância entre dois nós.
Alta imunidade a interferências: LoRa proporciona uma comunicação estável e confiável mesmo em ambientes com elevado nível de interferência.
Baixo consumo de energia: LoRa é ideal para dispositivos que necessitam de comunicação sem fio com consumo energético mínimo, prolongando a vida útil das baterias.

Em poucas palavras, LoRa significa tecnologia de radiofrequência e canal de comunicação sem fio.

Em termos de frequências de operação, o LoRa pode operar em um grande intervalo de frequências sub-GHz, sendo mais utilizado no intervalo que vai de 433MHz até 928MHz, sendo no Brasil a faixa de frequência com frequência central em 915MHz a utilizada. A escolha da frequência de operação de uma comunicação LoRa varia conforme a aplicação e legislações de telecomunicações no local (país) onde a comunicação deve ocorrer.

Há uma grande oferta no mercado de módulos de comunicação sem fio com LoRa e de kits de desenvolvimento com rádio LoRa, conforme listado abaixo:

Em termos de interface de comunicação com microcontroladores ou placas Arduino, os módulos LoRa utilizam, tipicamente, SPI e UART. Como exemplo, observe a figura 2, onde é possível observar os módulos RF Wireless LoRa 433MHz (A) e RF Wireless LoRa 915MHz Mini (B)

Figura 2 – módulos módulos RF Wireless LoRa 433MHz (A) e RF Wireless LoRa 915MHz Mini (B)

E o que é LoRaWAN?

O LoRaWAN trata-se de um protocolo de comunicação (definido em software), o qual utiliza o rádio LoRa como canal de comunicação sem fio. O LoRaWAN é um padrão livre / aberto, o qual permite estabelecer uma rede completa, com endereçamento de end-devices, gateway, mecanismos anti-colisão de pacotes e tudo mais que uma rede organizada precisa. O protocolo LoRaWAN – também chamado de stack LoRaWAN – implementa os detalhes de funcionamento e segurança da rede.

Quanto a infraestrutura necessária para o LoRaWAN ser estabelecido, além dos dispositivos (chamados end-devices, é necessário utilizar um ou mais gateways LoRaWAN, sendo um gateway LoRaWAN um elemento que intermedia a comunicação entre o end-device e a nuvem. É importante ressaltar que, no LoRaWAN, dois end-devices nunca se comunicam diretamente, mas sim cada end-device comunica-se apenas com um ou mais gateways LoRaWAN. É o gateway que intermedia o envio e recepção de dados entre end-devices e nuvem.

A comunicação LoRaWAN, numa visão do end-device até a nuvem, é exemplificada na figura 3. É importante ressaltar que, no LoRaWAN, por padrão, todas as mensagens são trafegadas de forma criptografada, de ponta a ponta, sendo portanto o LoRaWAN uma conectividade bastante segura.

Figura 3 – arquitetura resumida de uma rede LoRaWAN. Fonte da imagem.

Comparando LoRa e LoRaWAN, em uma analogia livre, é como se LoRa fizesse o papel das rodas de um carro e o LoRaWAN o motor. O motor, utilizando as rodas, pode fazer com que o carro se mova de forma a ter seu movimento controlado. As rodas, embora não sejam exatamente quem produz a força motriz do veículo, são necessárias para o motor poder desempenhar seu papel. Sem as rodas, o motor nada faria no quesito movimentação. Logo, o rádio LoRa tem a função de ser o canal de comunicação para o LoRaWAN.

Como funciona a rede LoRaWAN?

A rede LoRaWAN funciona conforme ilustra a figura 4.

Figura 4 – rede LoRaWAN. Fonte da imagem.

Tudo começa com os dispositivos LoRaWAN em campo, chamados de End-Devices LoRaWAN (à esquerda na figura 4). Estes dispositivos enviam (uplink) e recebem (downlink) mensagens dos gateways LoRaWAN, utilizando como canal de comunicação o rádio LoRa.

Os gateways que receberem a mensagem de uplink, direcionam tais mensagens para os servidores atrelados à infraestrutura LoRaWAN, os quais tratam a mensagem conforme descrito abaixo:

Network Server: gerencia a rede de comunicação entre os End-Devices e as aplicações finais. Ele é responsável por autenticar dispositivos, coordenar o roteamento de mensagens, eliminar mensagens duplicadas (recebidas por dois ou mais gateways LoRaWAN localizados no entorno do End-Device LoRaWAN) e assegurar a segurança e integridade dos dados transmitidos. Além disso, o Network Server é responsável pela adaptação das taxas de transferência de dados (Data Rate) e pela gestão de frequências e canais de rádio utilizados.
Application Server: processa os dados recebidos dos End-Devices LoRaWAN, interpretando e encaminhando-os para aplicações finais. Ele também envia comandos de volta aos dispositivos e pode executar lógicas referentes a aplicações específicas. Ainda, gerencia a segurança dos dados na camada de aplicação.
Join Server: gerencia o processo de autenticação e ativação dos End-Devices LoRaWAN na rede. Quando se usa o método de ativação OTAA, este servidor é responsável por autenticar dispositivos a partir da geração das chaves de sessão necessárias para a comunicação segura.

Se o dispositivo que mandou a mensagem for autenticado e a mensagem for corretamente tratada, a mensagem é então direcionada à aplicação final, como uma plataforma IoT, por exemplo.

Como utilizar LoRaWAN?

Para utilizar o LoRaWAN, há basicamente duas modalidades: rede pública e rede privada.

Na rede pública, adquire-se acesso à conectividade LoRaWAN via um distribuidor oficial de LoRaWAN no Brasil. Tais distribuidores fornecem acesso à rede pública LoRaWAN nacional, mantida pela American Tower do Brasil. Tais distribuidores podem ser consultados neste link, na seção “Conectividade LoRaWAN”. Utilizando a rede pública, você não precisa se preocupar com infraestrutura, e sim somente em utilizar corretamente a conectividade nos end-devices que for desenvolver.

Na rede privada, você tem uma rede não interligada à rede pública, oferecendo ainda mais confidencialidade na comunicação e possibilidade de implementar o LoRaWAN em locais remotos ( = sem cobertura da rede pública). Na rede privada, você é responsável por prover toda a infraestrutura: gateways, antenas, conectividade dos gateways à Internet (com redundâncias: wi-fi, ethernet e 4G/5G), no-breaks e tudo mais que a rede LoRaWAN requer.

A escolha da maneira de utilizar o LoRaWAN varia, portanto, das necessidades da aplicação.

Quais são as aplicações práticas do LoRaWAN?

Abaixo, segue cinco exemplos de aplicações práticas (e atualmente utilizadas, de fato, no mercado) para LoRaWAN:

Monitoramento e controle para Agro: sensores de umidade do solo, temperatura e condições climáticas para otimizar o uso de recursos e aumentar a produtividade agrícola, além de controle de irrigação automática e acionamento de bombas d’água, por exemplo.
Gestão de recursos hídricos: monitoramento de níveis de água em reservatórios.
Cidades inteligentes: controle de iluminação pública, monitoramento de resíduos (para coleta de lixo eficiente) e monitoramento de qualidade do ar.
Monitoramento de ativos: rastreamento e telemetria de veículos, equipamentos e outros ativos para evitar perdas, diminuir tempo de operação em caso de roubo e também otimizar a logística.
Gestão de energia: monitoramento de consumo de energia em ambientes residenciais, comerciais e industriais.

Exemplos de projetos com LoRa e LoRaWAN

Abaixo, segue uma lista de exemplos de projetos utilizando LoRa e LoRaWAN, feitos com Arduino e ESP32. Esses projetos podem servir como referência para seus estudos e primeiros experimentos com essas tecnologias de comunicação sem fio:

Exemplos de projetos que utilizam LoRa:

Exemplos de projetos que utilizam LoRaWAN:

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