Uma rede de sensores sem fio, muitas vezes chamada pela sigla em inglês WSN (ou RSSF, em português), é um conjunto de sensores espalhados por uma área que medem algo físico (temperatura, vibração, nível de água, qualidade do ar, se uma porta está aberta) e enviam suas leituras por rádio a um ponto de coleta, que as repassa a um software onde as pessoas podem vê-las e agir sobre elas. Nenhum cabo chega aos sensores. A maioria deles funciona com bateria por anos.

O termo abrange duas coisas bem diferentes, e é por isso que as buscas por ele trazem resultados tão misturados. Os cursos universitários descrevem redes de nós minúsculos que retransmitem as mensagens uns dos outros, salto a salto. A maioria das instalações comerciais montadas hoje é diferente: milhares de sensores conversando diretamente com alguns poucos receptores de longo alcance. Qual arquitetura é a mais adequada depende do local, e essa escolha define o custo, a duração da bateria e até onde a rede pode crescer.

O essencial

  • Uma rede de sensores sem fio conecta sensores a bateria a um software por rádio, sem cabeamento até cada ponto de medição.
  • Seus componentes são os nós sensores, os gateways ou estações base, um servidor de rede e uma aplicação.
  • As redes em malha retransmitem mensagens entre os nós, enquanto as redes em estrela enviam cada leitura direto para um gateway, a longa distância.
  • Em grandes instalações industriais e ambientais, rádios de longo alcance como LoRaWAN e mioty são a escolha mais comum.

Topologia de rede de sensores sem fio

Toda rede de sensores sem fio tem as mesmas quatro camadas, qualquer que seja o rádio:

  • Os nós sensores medem e transmitem. Um nó é um sensor, um pequeno microcontrolador, um rádio e uma bateria em um mesmo invólucro.
  • Os gateways ou estações base recebem os sinais de rádio e os encaminham por Ethernet, Wi-Fi ou rede celular.
  • Um servidor de rede verifica, descriptografa e elimina duplicatas das mensagens, e controla quais dispositivos fazem parte da rede.
  • Uma aplicação armazena as leituras, gera gráficos e decide o que deve acontecer quando um valor sai da faixa.

A topologia descreve como as duas primeiras camadas se comunicam, e há três formatos comuns.

Na topologia em malha (mesh), os nós passam as mensagens adiante para os vizinhos até que elas cheguem ao gateway. Zigbee, Thread e o padrão industrial WirelessHART funcionam assim. A malha é boa para contornar paredes dentro de um prédio, porque nenhum nó precisa alcançar longe. O preço é a energia: um nó que retransmite tráfego dos outros precisa escutar com frequência, então os nós retransmissores costumam ser alimentados pela rede elétrica, enquanto os nós a bateria ficam nas pontas.

Na topologia em estrela, cada nó fala diretamente com um gateway. A IoT celular e os rádios de longo alcance, como LoRaWAN e mioty, usam esse formato. Os nós só acordam para transmitir, o que prolonga a duração da bateria, e um gateway pode cobrir quilômetros em vez de metros.

O LoRaWAN usa uma variante muitas vezes chamada de estrela de estrelas: uma mensagem de um sensor pode ser ouvida por vários gateways ao mesmo tempo, e o servidor de rede fica com uma cópia e descarta as duplicadas. Essa sobreposição é útil, porque um nó na borda do alcance de um gateway muitas vezes está bem dentro do alcance de outro.

As topologias em árvore ou em cluster, em que grupos de nós reportam a um nó líder local que encaminha os dados para cima, aparecem principalmente em pesquisas e em alguns sistemas industriais proprietários.

Protocolos de rede de sensores sem fio

A escolha do protocolo decorre do alcance. Os protocolos de curto alcance cobrem um ambiente ou um andar: Bluetooth Low Energy para wearables e beacons, Zigbee e Thread para prédios e residências, e Wi-Fi quando há energia disponível e o volume de dados é alto. Os protocolos de longo alcance, agrupados sob o nome LPWAN (redes de longa distância e baixo consumo), cobrem um campus, um bairro ou uma fazenda.

Três famílias de LPWAN dominam. NB-IoT e LTE-M rodam nas redes das operadoras móveis e exigem uma assinatura por dispositivo. O LoRaWAN opera em espectro sub-GHz não licenciado, com gateways que você ou um provedor instalam, e tem o maior catálogo de sensores prontos para uso. O mioty, padronizado pelo ETSI como TS 103 357, também usa espectro sub-GHz não licenciado, mas divide cada mensagem em muitas rajadas curtas de rádio enviadas em frequências e momentos diferentes. A estação base consegue reconstruir uma mensagem mesmo quando parte dessas rajadas se perde, o que torna o mioty forte onde milhares de sensores dividem uma faixa congestionada.

Em grandes instalações, a comparação prática é variedade de dispositivos contra densidade. O LoRaWAN oferece mais modelos de sensor para quase qualquer medição. O mioty foi projetado para um número muito alto de dispositivos por estação base e para ambientes de rádio ruidosos. Muitos projetos nem precisam escolher um só, porque os dois podem funcionar lado a lado.

Qualquer que seja o protocolo, a duração da bateria depende do tempo no ar. Um sensor quase não gasta nada enquanto dorme e gasta a maior parte da energia enquanto o rádio transmite, então as perguntas que importam são com que frequência ele reporta, quantos bytes envia e quanto dura cada transmissão. Longo alcance com baixa taxa de dados significa transmissões mais longas. No LoRaWAN, um sensor longe do gateway usa um spreading factor mais alto, que chega mais longe, mas mantém o rádio ligado muitas vezes mais tempo para a mesma mensagem. As redes usam a taxa de dados adaptativa para passar os sensores próximos de um gateway para transmissões mais curtas e mais econômicas. Instalar um gateway perto de um grupo de sensores distantes pode aumentar a duração da bateria deles, além de melhorar o sinal.

No Kilo, há um servidor de rede LoRaWAN integrado à plataforma, e o mioty funciona pelo Kilo mioty Service Center open-source, que você mesmo hospeda, ou pelo mioty integrado ao Kilo Cloud, em que você adiciona um conector mioty e conecta suas estações base sem precisar operar um servidor de rede próprio. As leituras das duas redes alimentam os mesmos dashboards, regras e alarmes, então um sensor de vazamento LoRaWAN e um medidor mioty na mesma organização aparecem lado a lado. Se a sua rede vai misturar rádios, confira cada família de sensores nas conexões de dispositivos que o Kilo suporta antes de fechar o plano de gateways.

O que é uma rede de sensores industriais?

Uma rede de sensores industriais monitora máquinas e processos: vibração e temperatura em motores e bombas, pressão em tubulações, níveis em tanques, o estado de válvulas. A ideia é antiga. As plantas de processo usam sinais cabeados de 4–20 mA há décadas, e dois padrões sem fio, o WirelessHART (IEC 62591) e o ISA100.11a, foram desenvolvidos especificamente para a automação de processos, usando redes em malha na faixa de 2,4 GHz.

O que mudou foi o retrofit. Passar cabos novos por uma planta em operação é caro e muitas vezes exige uma parada, então muitas plantas agora instalam sensores sem fio a bateria em equipamentos que nunca tiveram monitoramento, como as centenas de pequenos motores, ventiladores e bombas que nunca valeu a pena cabear.

Os ambientes industriais tornam o rádio mais difícil do que nos escritórios. Estruturas de aço refletem e bloqueiam os sinais, inversores de frequência e equipamentos de solda geram ruído elétrico, e a faixa de 2,4 GHz costuma estar lotada de Wi-Fi e Bluetooth. Rádios sub-GHz como LoRaWAN e mioty têm comprimentos de onda maiores, que contornam obstáculos melhor do que os sinais de 2,4 GHz. As áreas classificadas trazem mais um requisito: sensores usados em atmosferas explosivas precisam de certificação, como ATEX na Europa ou IECEx internacionalmente, e essa certificação é do dispositivo, não do protocolo de rádio.

Uma rede de sensores industriais geralmente envia resumos em vez de sinais brutos. Um sensor de vibração pode enviar um valor de velocidade e uma temperatura a cada 15 minutos, o que basta para perceber uma máquina saindo da sua faixa normal sem esgotar a bateria.

Veja como isso fica em números, como exemplo. Uma planta com 300 motores pequenos, cada um com um sensor de vibração reportando a cada 15 minutos, gera 28.800 leituras por dia. É uma carga modesta para um único gateway ou estação base de longo alcance. A maior parte do planejamento vai para outras questões: qual valor conta como anormal para cada tipo de máquina, quem é avisado quando um motor sai do normal e quem troca um sensor cuja bateria acabou.

Como montar uma rede de sensores ambientais

Uma rede de sensores ambientais mede condições ao ar livre ou em uma área grande: a qualidade do ar em uma cidade, a chuva e a umidade do solo em uma lavoura, o nível de um rio, o ruído em volta de uma obra. Os sensores ficam espalhados, muitas vezes longe de energia elétrica e de prédios, o que faz dos sensores a bateria com rádio de longo alcance a escolha natural.

Uma montagem típica segue estes passos:

  1. Anote a pergunta. "O rio está subindo mais rápido do que o normal a montante da cidade?" leva a sensores e posicionamentos diferentes de "qual é a qualidade média do ar no bairro?"
  2. Escolha os sensores e um intervalo de envio. Um sensor de nível de rio que reporta a cada 15 minutos envia 96 leituras por dia; um que reporta de hora em hora dura bem mais com a mesma bateria.
  3. Faça um levantamento da cobertura de rádio. Percorra a área a pé ou de carro com um testador de campo antes de fixar qualquer coisa de forma definitiva, porque morros, árvores e prédios mudam muito o alcance.
  4. Coloque os gateways no alto. Um gateway em um reservatório elevado ou no telhado de um prédio municipal cobre uma área muito maior do que um no nível da rua. Onde não há rede elétrica, os gateways podem funcionar com painéis solares e bateria.
  5. Compare a precisão com uma referência. Sensores de qualidade do ar de baixo custo sofrem deriva e reagem à umidade, então compará-los com uma estação de monitoramento oficial próxima mostra o quanto dá para confiar neles.
  6. Planeje a manutenção. Sensores ao ar livre ficam sujos, encharcados e, de vez em quando, são roubados. Preveja no orçamento uma visita por ano a cada ponto.

Digamos que uma rede de alerta de enchentes tenha 12 sensores de nível ao longo de 20 km de rio, cada um reportando a cada 15 minutos. São 1.152 leituras por dia, e dois ou três gateways bem posicionados geralmente cobrem o trecho, dependendo do terreno. Os próprios sensores normalmente medem a distância até a superfície da água por radar ou ultrassom; a Kilo Electronics tem sensores de nível desse tipo, e sensores de qualquer fornecedor compatível funcionam da mesma forma.

Perguntas frequentes sobre rede de sensores sem fio

Qual a diferença entre uma rede de sensores e IoT?

Uma rede de sensores é a parte que mede e transmite: os sensores, o rádio e os receptores. IoT, a Internet das Coisas, é a ideia mais ampla de conectar objetos físicos à internet e a softwares, o que inclui dispositivos que atuam além de medir, como tomadas inteligentes, válvulas e lâmpadas. Todo projeto de monitoramento IoT contém uma rede de sensores, mas nem toda rede de sensores está conectada à internet.

Qual é a origem das redes de sensores sem fio?

Boa parte das primeiras pesquisas veio de projetos militares e acadêmicos nas décadas de 1980 e 1990. Um dos mais conhecidos foi o Smart Dust, da Universidade da Califórnia em Berkeley, que explorou nós sensores em escala milimétrica. Os rádios baratos e de baixo consumo que tornaram as redes comerciais viáveis chegaram mais tarde, com o IEEE 802.15.4 em 2003 e as tecnologias LPWAN na década de 2010.

Uma rede de sensores sem fio é segura?

A segurança depende do protocolo e de como as chaves são gerenciadas. O LoRaWAN criptografa o tráfego com AES-128 e usa chaves separadas para a rede e para a aplicação, então o operador da rede consegue rotear uma mensagem sem ler o conteúdo dela. Os pontos fracos costumam ser operacionais: chaves padrão que nunca são trocadas, chaves de dispositivos guardadas em planilhas compartilhadas e gateways que continuam com as senhas de fábrica.

Qual é o alcance de uma rede de sensores sem fio?

Depende do rádio. Zigbee e Bluetooth costumam cobrir dezenas de metros por salto. Um gateway LoRaWAN normalmente alcança 2–5 km em áreas urbanas e 15 km ou mais em campo aberto. O alcance sempre diminui em ambientes internos, no subsolo e atrás de concreto denso, então as medições em campo valem mais do que os números da ficha técnica.

Cinco sensores de nível de água em um mesmo local, um único gateway e um dashboard mostrando os cinco formam uma pequena rede ambiental que você pode acompanhar por algumas semanas. Adicione uma regra que envie um alarme quando um nível passar da marca que interessa a você e deixe tudo rodando tempo suficiente para entender o que é normal antes de planejar algo maior. Toda a configuração cabe no plano gratuito do Kilo.