Sensores IoT são pequenos dispositivos que medem algo no mundo físico, como temperatura, movimento, água ou uma porta que se abre, e enviam essa medição por uma rede até um software onde pessoas e sistemas podem usá-la. A parte "IoT", sigla de Internet das Coisas, é a conexão: um termômetro na parede mostra um número para quem passa por ele, enquanto um sensor de temperatura IoT envia esse número a cada poucos minutos para um dashboard que você consulta de qualquer lugar e para regras que podem reagir quando ele muda.

O que torna os sensores IoT interessantes hoje é o pouco que é preciso para instalá-los. Muitos funcionam por anos com uma bateria, não precisam de cabo e se comunicam com um gateway que pode estar bem longe. Por isso, projetos que antes exigiam um eletricista e uma empresa de automação predial agora podem começar com um punhado de sensores colados na parede. O planejamento fica na escolha dos sensores certos e em reunir os dados deles em um só lugar.

O essencial

  • Um sensor IoT reúne um elemento sensor, um pequeno processador, um rádio e uma fonte de energia, geralmente uma bateria.
  • Os tipos mais comuns medem clima, qualidade do ar, ocupação, portas, vazamentos, níveis, vibração, energia e localização.
  • Uma rede de sensores IoT leva as leituras dos sensores, passando por gateways e por um servidor de rede, até uma plataforma.
  • A duração da bateria depende principalmente da frequência com que o sensor transmite e da distância até o gateway.

Tipos de sensores IoT

Existem centenas de modelos de sensores, mas a maioria se encaixa em poucas famílias. Esta tabela reúne as que aparecem na maior parte dos projetos em edifícios, instalações e indústrias:

Tipo de sensor O que mede Usos típicos
Temperatura e umidade Temperatura do ar ou de superfícies, umidade relativa Escritórios, câmaras frias, salas de servidores, prevenção de mofo
Qualidade do ar CO₂, COVs, material particulado Salas de reunião, salas de aula, controle da ventilação
Movimento e ocupação Presença por infravermelho (PIR), radar ou contagem de pessoas Uso de salas, iluminação, segurança
Contato de porta e janela Aberta ou fechada, com ímã e reed switch Segurança, portas de câmaras frias, desperdício de energia
Vazamento de água Água em uma sonda ou ao longo de um cabo sensor Casas de máquinas, embaixo de pias, salas de servidores
Nível e distância Distância até uma superfície por ultrassom ou radar Tanques, lixeiras, poços, altura da neve
Vibração e inclinação Aceleração, nível de vibração, ângulo Bombas, motores, estruturas, postes
Energia e pulso Consumo de eletricidade, água ou gás Medição, perfis de consumo
Rastreadores GPS Localização e movimento Veículos, contêineres, equipamentos

Por dentro, a maioria desses dispositivos é parecida. Há o elemento sensor em si, um microcontrolador de baixo consumo que faz a leitura e empacota o valor em uma mensagem curta, um rádio e uma bateria ou alimentação externa. O elemento sensor define o que o dispositivo consegue medir; o rádio define para onde os dados podem ir. Dois sensores que medem a mesma coisa podem ser totalmente incompatíveis se usarem rádios diferentes.

Na hora da compra, verifique o rádio logo de início. Um bom sensor para o seu projeto mede o que você precisa com a precisão necessária, aguenta o ambiente onde será instalado, usa um rádio que a sua rede consegue receber e vem com um formato de dados documentado. A Kilo Electronics tem sensores e dispositivos LoRaWAN da maioria das famílias da tabela, e sensores de qualquer fabricante funcionam, desde que sejam compatíveis com a sua rede.

Como funciona uma rede de sensores IoT?

Uma rede de sensores IoT é a cadeia que leva cada leitura do sensor até o software. Ela tem as mesmas cinco partes, qualquer que seja o rádio:

  1. O sensor mede e transmite uma mensagem curta, muitas vezes de apenas alguns bytes.
  2. O enlace de rádio leva a mensagem pelo ar.
  3. Um gateway ou estação base recebe a mensagem e a encaminha para a internet por Ethernet, Wi-Fi ou conexão móvel.
  4. Um servidor de rede verifica a mensagem, elimina duplicatas quando vários gateways a receberam, descriptografa e a repassa.
  5. Uma plataforma decodifica os bytes em valores, armazena e os torna úteis em dashboards, regras e alertas.

A maior parte do tráfego vai em um só sentido, do sensor para a plataforma, e essas mensagens se chamam uplinks. As mensagens no sentido contrário, os downlinks, servem para mudar as configurações de um sensor ou acionar um atuador, como uma válvula ou um relé. Sensores a bateria normalmente só ficam escutando downlinks por um breve momento depois de transmitir, então uma mudança de configuração pode só chegar no próximo envio do sensor. Dispositivos ligados na tomada podem escutar o tempo todo e reagir em segundos.

A escolha mais importante do projeto é o rádio, porque ele define o alcance, a duração da bateria e quantos gateways você vai precisar.

Rádios de curto alcance, como Wi-Fi, Bluetooth Low Energy e Zigbee, cobrem um ambiente ou um andar. O Wi-Fi é prático onde já existe, mas consome muita energia. O Zigbee forma uma malha (mesh), em que os dispositivos ligados na tomada retransmitem as mensagens dos que funcionam a bateria, o que dá bons resultados dentro de um único prédio.

As redes de longa distância e baixo consumo (LPWAN) foram criadas exatamente para isso: mensagens pequenas, longo alcance e anos com uma bateria. O LoRaWAN é o mais difundido; um gateway costuma atender centenas de dispositivos em um raio de alguns quilômetros na cidade, e mais em campo aberto. O mioty é um padrão ETSI mais recente (TS 103 357) que divide cada mensagem em muitas rajadas curtas de rádio, o que o torna robusto em ambientes densos e com muita interferência e permite que uma única estação base atenda um número muito grande de sensores. As operadoras móveis também oferecem conectividade LPWAN, como NB-IoT e LTE-M, em que o sensor se comunica diretamente com a rede da operadora e você não precisa de um gateway próprio.

A etapa da plataforma envolve mais tradução do que se imagina. Cada modelo de sensor envia os dados no seu próprio formato de bytes, então um decodificador (às vezes chamado de codec) precisa transformar bytes como 01 0A F3 em "temperatura 21,5 °C". Além disso, fabricantes diferentes dão nomes diferentes à mesma medida, e uma rede mista acaba com "temp", "temperature" e "t_air" significando a mesma coisa. Uma boa plataforma permite mapear tudo isso para um único nome antes de você começar a montar os dashboards.

Quanto tempo dura a bateria de um sensor IoT?

Sensores IoT a bateria costumam ser especificados para durar de dois a dez anos ou mais. O número da ficha técnica pressupõe um intervalo de envio específico e boas condições de rádio, e duas configurações que estão nas suas mãos mudam muito esse valor.

Intervalo de envio. Transmitir é o que mais consome energia em um sensor. Um exemplo com números redondos: se um sensor especificado para seis anos enviando a cada 15 minutos passa a enviar a cada 5 minutos, ele transmite três vezes mais. Como as transmissões dominam o consumo, espere uma vida útil mais próxima de dois ou três anos do que de seis. Muitos sensores oferecem um meio-termo: enviam raramente quando nada muda e imediatamente quando algo acontece, como uma porta que se abre ou água que aparece.

Distância até o gateway. No LoRaWAN, um sensor longe do seu gateway recebe a instrução de usar um spreading factor mais alto, o que deixa cada mensagem mais robusta, mas muito mais longa no ar. Uma mensagem curta na configuração mais lenta pode levar cerca de 25 a 30 vezes mais tempo para ser enviada do que na mais rápida, e o consumo da bateria sobe junto. Instalar um gateway mais perto de um grupo de sensores distantes pode aumentar bastante a duração das baterias deles.

A temperatura também conta. As baterias perdem capacidade no frio, então um sensor em uma câmara de congelados ou ao ar livre no inverno não vai atingir a duração especificada para a temperatura ambiente. Sensores feitos para esses lugares geralmente usam células de lítio, que toleram melhor as baixas temperaturas. As células de lítio-cloreto de tionila são uma escolha comum porque continuam funcionando bem abaixo de zero, embora, mesmo assim, a capacidade útil delas caia no frio.

A troca de baterias precisa de um plano próprio. Um prédio com 200 sensores com baterias de cinco anos tem, em média, 40 trocas de bateria por ano, e essas visitas custam mais do que as baterias. Agrupar as trocas por área e escolher um intervalo de envio que corresponda à necessidade real, e não à opção mais rápida, mantém esse número baixo.

Como montar uma rede de sensores IoT

Estes passos servem para uma primeira instalação em um prédio ou em uma área industrial, e mantêm a primeira rede pequena o bastante para você aprender com ela:

  1. Anote a pergunta. "A sala de servidores está superaquecendo à noite?" ou "Quais salas de reunião são realmente usadas?" A pergunta define de quais sensores você precisa e onde.
  2. Escolha os tipos de sensor na tabela acima e verifique o rádio, a precisão, o grau de proteção do invólucro e o intervalo de envio.
  3. Escolha a rede. Para um único prédio com tomadas por toda parte, uma rede de curto alcance pode bastar. Para vários prédios, subsolos ou áreas externas, um gateway LPWAN costuma ser mais simples.
  4. Teste a cobertura antes de instalar tudo. Coloque o gateway no lugar previsto, leve um sensor até os pontos mais distantes e mais profundos e confira se as mensagens chegam com bom nível de sinal. Subsolos, poços de elevador e armários metálicos são os pontos problemáticos de sempre, então teste esses primeiro e anote os valores de sinal que você vê, para poder compará-los depois se um sensor começar a perder mensagens.
  5. Cadastre cada sensor na sua plataforma com seus identificadores e chaves e confirme se os valores decodificados fazem sentido.
  6. Defina como as leituras serão usadas: um dashboard para as pessoas e regras que geram alertas quando os valores ultrapassam um limite.
  7. Deixe rodando por algumas semanas antes de expandir e ajuste intervalos e limites com base no que os dados mostram.

O software pode facilitar boa parte dos passos 5 e 6. No Kilo, o formulário de gerenciamento de dispositivos foi pensado para o celular, então você pode cadastrar cada sensor ali mesmo, no ponto de instalação. Os modelos de métricas mapeiam os nomes de campos brutos de cada fabricante para uma única métrica normalizada, e sensores de marcas diferentes aparecem como uma leitura consistente. E como cada dispositivo mantém sua identidade e seu histórico quando o sensor físico é trocado, uma unidade com defeito ou danificada pode ser substituída sem quebrar os gráficos.

Perguntas frequentes sobre sensores IoT

Sensores IoT precisam de Wi-Fi?

Não. Muitos sensores IoT usam seu próprio rádio de baixo consumo, como LoRaWAN, mioty ou Zigbee, e chegam à internet por um gateway. Existem sensores Wi-Fi, mas eles geralmente precisam ficar ligados na tomada ou ter as baterias trocadas com frequência.

Quanto custa um sensor IoT?

Sensores simples a bateria para temperatura, portas ou vazamentos costumam custar algumas dezenas de euros cada, enquanto sensores especializados, como medidores de nível por radar ou sensores de vibração, custam mais. O gateway é um custo à parte, pago uma vez e compartilhado por muitos sensores, e a assinatura do software é um terceiro item.

Sensores IoT são seguros?

Depende do rádio e da configuração. O LoRaWAN e o mioty criptografam as mensagens entre o sensor e o servidor de rede com chaves individuais por dispositivo, então os passos práticos mais importantes são guardar essas chaves com segurança e restringir quem pode acessar a plataforma.

Qual a diferença entre um sensor e um sensor IoT?

Um sensor é só o elemento de medição, como um termistor cuja resistência muda com a temperatura. Um sensor IoT junta esse elemento a um processador, um rádio e uma fonte de energia, para que a medição possa ser enviada e usada em outro lugar.

Tome como exemplo a pergunta "Quais salas de reunião são realmente usadas?". Três sensores de ocupação em três salas de reunião e um sensor de CO₂ na mais movimentada respondem a ela em um único dashboard, e uma regra pode alertar a equipe de facilities quando o CO₂ nessa sala ficar acima de 1.200 ppm por meia hora. Essa configuração cabe no plano gratuito do Kilo, e você pode montar o dashboard e a regra com dispositivos emulados antes de o gateway ser instalado.