Desenvolvimento de um protocolo eficiente IoT com LoRa para automação predial

Abstract

A proposta deste trabalho é desenvolver um protocolo Internet of Things (IoT) eficiente que seja robusto a interferências, energeticamente eficaz, que possa realizar comunicações com bons alcances, para que não seja necessária a utilização de protocolos de roteamento, de fácil utilização e confiável no contexto de automação predial. O ponto de partida deste trabalho é a definição do protocolo de comunicação dos dispositivos. Na segunda parte, é realizado o desenvolvimento do protocolo e a implementação de uma aplicação que utilize o protocolo, no contexto de automação predial. As informações foram dispostas em um sistema supervisório que atua como a central do sistema. Finalmente, a última etapa consiste da validação do sistema: teste da aplicação implementada de modo a se obter o desempenho do protocolo de comunicação em relação à confiabilidade da comunicação, eficiência energética do sistema, distâncias de comunicação, outros sistemas. A tecnologia utilizada para a comunicação do sistema é LoRa, que permite comunicações em longas distâncias com uma boa eficiência energética. Por ser baseado na técnica de modulação por espalhamento espectral, derivada da técnica de espalhamento espectral Chirp Spread Spec-trum (CSS), a energia do sinal transmitido passa a ocupar uma banda muito maior do que a da informação, o que torna as comunicações resistentes a interferências. A arquitetura geral proposta consiste da utilização de microcontroladores alimentados por bateria para atuação e sensoriamento do sistema. Os mesmos, se comunicaram com os gateways, regidos pela estrutura do protocolo. Os gateways são responsáveis por receber as mensagens e encaminhá-las para o sistema supervisório, por meio do protocolo Message Queuing Telemetry Transport (MQTT). O sistema supervisório é executado em um Raspberry Pi. Testes foram realizados para se averiguar a eficiência da rede. Por meio de testes de 15 dias e de 7 dias, verificou-se o sistema em relação à consumo energético, tempo de latência, alcance e confiabilidade das comunicações. Comunicações de aproximadamente 450 metros de distância foram possíveis utilizando o protocolo, e obteve-se uma confiabilidade das comunicações de 97,6%em um cenário de teste. Além disso, constatou-se o baixo consumo energético dos dispositivos, na ordem de 40,2μA, ao se utilizar o modo de baixo consumo energético, um consumo até 22 vezes menor que outras tecnologias similares.