Sigfox aplicado a medições

UNIVERSIDADE FEDERAL FLUMINENSE ESCOLA DE ENGENHARIA

CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA DE TELECOMUNICAÇÕES

Yuri Garcia de Freitas Silva Amanda Ruhlemann Barreira

Yuri Garcia de Freitas Silva Amanda Ruhlemann Barreira

Sigfox aplicado a medições

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Teleco- municações da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações.

Orientador: Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira

Yuri Garcia de Freitas Silva Amanda Ruhlemann Barreira

Sigfox aplicado a medições

Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Graduação em Engenharia de Teleco- municações da Universidade Federal Fluminense,

como requisito parcial para obtenção do Grau de Engenheiro de Telecomunicações.

Aprovada em 11 de DEZEMBRO de 2019

BANCA EXAMINADORA

Prof. Dr. Tadeu Nagashima Ferreira - Orientador Universidade Federal do Rio de Janeiro

Prof. Dr. Fernando Antônio Santos Beiriz Universidade Federal Fluminense

Prof. Dr. Jacqueline Silva Pereira Universidade Federal do Rio de Janeiro

Niterói – RJ 2019

iv

Resumo

Este trabalho é inspirado em uma tecnologia ainda pouco conhecida pela maioria dos brasileiros, embora seja bem aproveitada em outros países. No Brasil o padrão Sigfox vem ganhando espaço com o passar dos anos, devido em grande parte ao fato de oferecer economia e simplicidade na sua utilização. Além da parte conceitual que será definida a respeito do Sigfox, será abordado também a estrutura técnica desse padrão, o tipo de rede que ele utiliza, a sua arquitetura e sua eficaz técnica de modulação. Tem-se como foco apresentar suas principais características e detalhar duas aplicações que demonstram as facilidades mencionadas acima. Como estudo de caso, em primeira análise, será discorrido sobre georreferenciamento com emprego do Sigfox e então a utilização de medidores de água inteligente. Serão apresentados e expostos como esses dispositivos funcionam na sua base e como a tecnologia pode agregar para uma melhor experiência.

v

Abstract

​This work is inspired by a technology still little known by most Brazilians, although it is well used in other countries. In Brazil, the Sigfox standard has been gaining ground over the years, due in large part to the fact that it offers economy and simplicity of use. In addition to the conceptual part that will be defined about Sigfox, it will also address the technical structure of this standard, the type of network it uses, its architecture and its effective modulation technique. It focuses on presenting its main characteristics and detailing two applications that demonstrate the facilities mentioned above. As a case study, in the first analysis, it will be discussed about georeferencing using Sigfox and then the use of smart water meters. It will show and expose how these devices work at their foundation and how technology can add to the best experience.

VII

Agradecimentos

Gostaria de agradecer a todas as pessoas que de alguma forma contribuíram com a minha formação, em especial gostaria de agradecer a minha mãe, meu padrinho e meus avós. Cada ano que passei na universidade tive o apoio incondicional da parte deles, também não poderia deixar de agradecer a Deus que me fortaleceu ao longo desses 6,5 anos e não deixou que eu desistisse quando as coisas não pareciam dar certo. Agradeço também aos amigos que fiz nesse curso, em especial meu amigo João Bernardo, Guilherme Guimarães e a minha amiga e companheira de TCC Amanda, que topou dividir essa última tarefa comigo. E por fim e não menos importante, nosso orientador Tadeu, que tivemos o prazer de trabalhar ao longo desse último ano que passou.

Yuri Garcia

Gostaria de agradecer primeiramente aos meus pais, por desde sempre terem se sacrificado para tornar meus estudos uma realidade. Em segundo lugar, ao meu marido, que nos últimos anos tem sido minha fortaleza para seguir em frente e suportar as adversidades ao longo do caminho. Não poderia também deixar de agradecer ao meu amigo e companheiro de TCC Yuri, pela parceria, ensinamentos trocados durante nosso curso e amizade. Por fim, agradeço ao meu orientador Tadeu, por todo o auxílio ao longo deste último ano.

viii

Lista de Figuras

Figura 1 - Evolução do número de dispositivos IoTs. . . .7

Figura 2 - Comparativo do Alcance e Largura de Banda de algumas redes. . . 9

Figura 3 - Diagrama comparativo do tempo da vida útil da bateria e alcance. . . 9

Figura 4 - Arquitetura da Rede SigF_​ox . . . 12

Figura 5 - Rede de satélites orbitando a Terra. . . ._​ . . . 14

Figura 6 - Processo de Triangulação_​. . . .14

Figura 7 - Processo de Recebimento de sinal_​. . . 19

Figura 8 - Mapa de probabilidades do dispositiv_​o. . . 20

Figura 9 - Rastreador Suntech ST730. . . 22

Figura 10 - Rastreador Oyster. . . .22

Figura 11 - Corrente de um GPS típico em operação. . . 23

Figura 12 - Rastreador WiFi da Loka_​. . . .25

Figura 13 - Tela da aplicação de rastreamento da Loka-Systems_​. . . .25

Figura 14 - Rastreador Loka montado em sua placa de expansão_​. . . 26

Figura 15 - Localizador WiFi mcTrack330_​. . . 26

Figura 16 - Contador de água típico residencial_​. . . .30

Figura 17 - Contador Monojato_​. . . .31

Figura 18 - Contador Multijato_​. . . 32

Figura 19 - Contador de disco. . . 33

Figura 20 - Contador de pistã_​o. . . 33

Figura 24 - A imagem mostra um pulso gerado pelo sensor quando há uma inversão do

campo magnético_​. . . .38

Figura 25 - Representação de uma comunicação paralelo/séri_​e. . . 40

Figura 26 - Circuito com módulo Sigfox_​. . . 41

Figura 27 - Formato do array de caracteres para envio de leituras_​. . . .41

_{​ ix}

Lista de Tabelas

Tabela 1 - Comparação entre NB-IoT, LoRa e Sigfox. . . 3 Tabela 2 – Serviços de Georreferenciamento sem o uso do Sigfox. . . 17

Lista de Abreviaturas e Siglas

Lista de Símbolos

Sumário

Resumo iv

Abstract v

Agradecimentos vii

Lista de Figuras viii

Lista de Tabelas ix 1 _{​Introdução} 1 1.1 Motivação 2 1.2 Objetivo 4 2 Sigfox 5 2.1 Contextualização 5 2.2 IoT 5

2.3 Motivação do Uso do Sigfox 7

2.4 A Rede LPWAN 8

2.5 A Tecnologia Sigfox 9

2.5.1 Características 9

2.5.2 Arquitetura 10

2.5.3 Modulação D-BPSK 11

3 Sigfox com Aplicações em Georreferenciamento 12

3.1 GPS( _{​Global Position System)} 12

3.3 Estrutura dos Sinais Emitidos pelos Satélites GPS 14

3.4 Vulnerabilidades do Sistema GPS 15

4 Solucionando Vulnerabilidades com o Uso do Sigfox 17

4.1 Um Caso de Aplicação 27

5 Sigfox com Aplicações em Medições 28

5.1 Contador de Volume de Água 28

5.2 Contadores Residenciais 29

5.2.1 O contador de velocidade 29

5.2.2 O contador volumétrico 31

6 Padrão Sigfox no Uso da Medição 34

6.1 Contagem e Comunicação 35

6.2 Sensor Wiegand 35

6.3 Utilização do Microcontrolador 37

6.4 Plataforma de Comunicação 38

6.5 Módulo Sigfox 38

6.6 Características do Protocolo de Comunicação UART 38

6.7 Plataforma Cloud 41

6.7.1 Requisitos da aplicação do servidor 41

6.7.2 Base de dados 41

6.8 Aplicação Móvel 41

6.9 Comparando Aplicações 43

7 Conclusão 44

7.1 Considerações Finais 44

7.2 Trabalhos Futuros 45

Capítulo 1

Introdução

Este documento discute acerca da utilização da tecnologia Sigfox, que é uma forte ferramenta da Internet of Things (IoT). É feita uma contextualização do tema para dar ao leitor maior entendimento do assunto, são abordados as principais características do padrão, bem como é feito um estudo para a escolha da rede mais apropriada (passar para ingles), a Low Power Wide Area (LPWAN). Após isso foram apresentados dois estudos de casos que utilizassem esse padrão e foram explorados a estrutura do seu funcionamento.

Um dos estudos de caso contou com a descrição do funcionamento de um modelo de GPS com utilização do SIGFOX. Foram abordados o princípio de funcionamento utilizando modelos de triangulação do sinal para se obter a localização mais precisa possível. Em seguida foram mostrados os principais problemas que o GPS tradicional tinha que lidar, como falha nas antenas, erros de multipercurso, GPS spoofing, GPS jamming, explosões solares.

Com o intuito de agregar ao sistema já existente foram propostos algumas combinações do modelo SIGFOX com Nível de Sinal + Mapas de Predição + Aprendizado, com GPS e com Wi-Fi. Todas as soluções visaram uma maior precisão respeitando a limitação do sistema de 12 Bytes/dia na mensagem. Ainda foram apresentadas duas maneiras interessantes de expandir o sistema de localização e rastreamento da Loka Systems, um kit de expansão que vem com um acelerômetro que permite reduzir o consumo de energia e também a possibilidade de desenvolver seus próprios serviços de localização usando recursos da placa com localizador Wi-Fi no equipamento.

deve ao efeito de mudança repentina do campo eletromagnético que gera uma corrente e alimenta o sensor Wiegand. No microcontrolador são gerados pulsos que auxiliam na contagem do volume de água gasta.

O projeto usa o protocolo de comunicação Sigfox e explica como a mensagem é endereçada e transmitida, respeitando a carga útil de 12 bytes. Um aplicativo foi desenvolvido para Android e aprimorou ainda mais a experiência do usuário com a tecnologia, pois permitiu fácil manipulação dos dados medidos.

Ambos os projetos visavam ser aplicáveis ao cotidiano das pessoas e também ter baixo consumo de energia e baixo custo. Foi observado, para o medidor água, um consumo médio de energia de menos de 30 µA para que duas baterias AA possam alimentar o sistema por até 15 anos sem substituição

1.1 Motivação

Existem diversas tecnologias que poderiam dar suporte às aplicações escolhidas, dentre elas NB-IoT (_{​Narrow Band IoT​) [2], LoRa (​Long Range​) [2] e Sigfox [2]. Ambas são} redes LPWAN (_{​Low Power Wide Area Network​), pré-requisito principal para a escolha em} questão. Sendo assim, deverá ser avaliado algumas características de cada uma delas que possam ser proveitosas para nossas aplicações.

A rede NB-IoT (_{​Narrow Band IoT​) possui como características principais: uso de} frequências licenciadas (as mesmas usadas por algumas frequências do 4G), vida útil de bateria de aproximadamente 10 anos, uso de modulação OFDM para comunicação downlink e SC-FDMA (_{​Single ​Carrier FDMA​) para comunicação uplink [5]. Embora essa ferramenta} apresente elevado nível de desempenho, deixa a desejar quando a questão é consumo de energia. Esta desvantagem está atrelada à grande complexidade de seus chips.

Já a rede LoRa, bastante popular mundialmente, faz uso de frequências não licenciadas, possui baixo consumo (baterias que duram em média 9 anos) e baixo custo de infraestrutura. Além disso, possui uma arquitetura aberta. Entretanto, esta tecnologia é modulada por frequência, gerando um uso maior do espectro e consequentemente, sendo mais propícia a interferências [5].

Por último nesta análise vem o Sigfox. Comparando-o aos anteriormente mencionados, ele apresenta-se superior em alguns aspectos, os quais foram cruciais para sua escolha.

Sigfox é uma rede _{​narrow-band ou ​ultra narrow-band​, ou seja, altamente seletivo em} frequência. Dessa forma, torna-se mais robusta à ação do ruído. Essa particularidade permite que os níveis de potência do transmissor seja baixa e gere um maior alcance garantindo confiabilidade na transmissão. Outro aspecto relevante, foi seu consumo de energia, onde a duração das baterias pode chegar a 20 anos [5].

Após essa análise, chega-se à conclusão que o Sigfox seria mais adequado às necessidades em questão, visto as aplicações escolhidas.

Na Tabela 1, segue uma ilustração onde se compara as três tecnologias:

Escolhida a tecnologia, estamos aptos a descrever uma breve motivação da escolha das aplicações em questão.

A média de consumo diário de água recomendada pela ONU é de 110 litros por habitante/dia. Embora estudos apontem que essa quantidade é suficiente para suprir as necessidades básicas de uma pessoa, tal recomendação não é seguida pela maioria da sociedade brasileira, ultrapassando em 51% o estabelecido [6].

Atualmente, no nosso país, estamos observando diversas regiões já apresentando escassez hídrica nas residências urbanas e rurais. Aquelas regiões que sofrem com a falta de chuvas em determinadas épocas do ano estão à mercê de secas rigorosas. Para combater esse problema, políticas que visem a economia desse recurso são importantes. Vários estudos apontam para o fato de que o conhecimento do consumo, de forma regular, pode levar a uma utilização mais sensata desse bem [6].

Segundo [26], ao utilizar contadores de água com atualização em tempo real, os consumidores reduziram o seu consumo de água de 10% a 30%. Dessa forma, essa gestão eficaz e inteligente contribui não somente para uma economia de água mas também para uma diminuição da conta a ser paga pelo consumidor.

Já no que diz respeito ao georreferenciamento, conforme será exposto em capítulos posteriores, o sistema atual embora muito popular e utilizado em larga escala, possui muitas vulnerabilidades. Sendo assim, necessita de algumas adaptações e combinações para tornar-se mais robusto e eficaz. Além disso, cada vez mais buscamos tecnologias funcionais e financeiramente acessíveis, e mais uma vez o Sigfox corresponde à essa expectativa, sendo escolhida para este estudo.

1.2 Objetivo

O objetivo do deste trabalho é discutir acerca do uso do padrão Sigfox para o aprimoramento de sistemas já existentes de georreferenciamento e medição de água. Um

estudo aprofundado é feito no intuito de apresentar como são projetados esses dispositivos e demonstrar a viabilidade do seu emprego.

Teve-se como meta apresentar estudos de caso que possuíssem um baixo consumo energético, que fossem manipuladas de forma fácil pelo usuário e que sobretudo fosse implementada de forma simples e pouco onerosa.

Capítulo 2

SIGFOX

2.1 Contextualização

Hoje vivemos uma realidade muito diferente dos nossos antecessores. Cada vez estamos mais conectados disseminando informações, o fluxo de bits não para de aumentar e dessa forma, com essa crescente demanda, surgem diversas soluções que visam deixar a experiência do usuário com a tecnologia cada vez mais proveitosa. Este estudo vai se basear no padrão Sigfox, uma das ferramentas para uma das mais novas inovações tecnológicas do momento, a _{​IoT​ (Internet das coisas, do inglês ​Internet of Things).}

A tecnologia Sigfox foi desenvolvida em 2010 pela_{​start-up Sigfox em Toulouse, na} França, que é uma empresa e uma operadora de rede _{​LPWAN​. A Sigfox opera e comercializa} sua própria solução de _{​IoT em 31 países e ainda está em desenvolvimento em todo o mundo} devido à parceria com vários operadores de rede. _{​ ​No entanto, antes é interessante que seja} apresentado o conceito de_{​ IoT​ e o que ele se propõe a fazer.}

2.2 IoT

Para dar prosseguimento ao trabalho, é preciso uma definição do conceito de _​IoT (_{​Internet of Things), que é um conceito genérico para se referir a tantas tecnologias} semelhantes ao padrão Sigfox. A Internet das Coisas pode ser considerada a extensão da Internet atual, com o detalhe que proporciona a qualquer objeto a possibilidade de oferecer determinado serviço. Isto ocorre porque os objetos possuem capacidade de comunicação e processamento aliados a sensores, os quais transformam suas utilidades .

Atualmente, não só computadores convencionais estão conectados à Grande Rede, como também uma grande heterogeneidade de equipamentos tais como TVs, Laptops, automóveis, smartphones, consoles de jogos, webcams e a lista aumenta a cada dia. Neste novo cenário, a pluralidade é crescente e previsões indicam que mais de 40 bilhões de dispositivos estarão conectados até 2020 [8]. Usando os recursos desses objetos, será possível detectar seu contexto, controlá-lo, viabilizar a troca de informações uns com os outros, acessar serviços da Internet e interagir com pessoas. Concomitantemente, uma gama de novas possibilidades de aplicações surgem (ex: cidades inteligentes (_{​Smart Cities​), saúde} (_{​Healthcare​) e casas inteligentes (​Smart Home​)).}

Em suma, a Internet das Coisas é um ecossistema que conecta objetos físicos, através de um endereço IP ou outra rede, para trocar, armazenar e coletar dados para consumidores e empresas através de uma aplicação de software. O fluxo de dados nesse contexto pode ser entendido como a lista a seguir, que aponta a transformação dos dados de um objeto inteligente para os consumidores finais [7].

• Sensores em máquinas – Primeiro, sensores “sentem” o entorno do ambiente e coletam dados. Ex.: _{​Smartphones​, roteadores, ​beacons4 , ​wearables ​(dispositivos vestíveis),} termômetros e afins.

• Centro de dados ( _{​Cloud​) – Segundo, os dados transportados a partir das máquinas} conectadas são armazenados e analisados por meio de computação em nuvem.

• Aplicação (_{​Software​) – Depois, aplicações controlam os dados analisados e} fornecem serviços ao usuário final.

• Consumidor – Por fim, o consumidor (usuário final) compartilha informações úteis com serviços e outras pessoas.

A figura 1 mostra o avanço de dispositivos conectados _{​IoT no mundo inteiro ao longo} dos anos e a previsão para os próximos anos.

Figura 1 - Evolução do número de dispositivos IoTs [ 7 ]

2.3 Motivação do Uso do Sigfox

É interessante discutir a importância do uso desse padrão e o que ele agrega com sua implementação em larga escala. É sabido que existem diversos padrões que promovem a transferência de dados, um deles é o popular padrão Wi-Fi, que conecta milhões de pessoas no mundo inteiro com suas redes locais e que promove, sobretudo, um alcance relativo e um alto consumo de energia. Por outro lado, quando visamos um baixo consumo de energia podemos optar por um outro padrão, o Bluetooth, no entanto este não apresenta um longo alcance.

Com o aumento exponencial do número de dispositivos conectados e sensores advindos do _{​IoT​, se torna interessante a utilização de um padrão que consiga reunir essas duas}

qualidades, longo alcance e baixo consumo de energia. Nesse contexto têm sido desenvolvidas as redes _{​Low Power Wide Area Network ​(LPWAN) [5].}

2.4 A Rede LPWAN

Com a rede _{​LPWAN pretende possibilitar a comunicação segura entre um sistema de} gerenciamento central e dispositivos capazes de emitir e receber dados. Além disso, ela possui como principal característica, o longo alcance e o baixo consumo de energia; foram criadas para atender às aplicações de comunicação máquina-a-máquina ( _{​Machine-to-Machine} ‒ M2M) e _{​IoT ​[9].}

Para que seja possível haver conectividade na IoT, são utilizados redes _{​LPWAN​, que} por sua vez operam nas faixas de RF ISM ( _{​Industrial​ ​Scientific and Medical​) não licenciadas,} em especial na faixa Sub GHz que oferecem vantagens em relação a outras faixas ISM de RF como 2,4 GHz e 5 GHz [9].

​

Comparando as faixas de RF, a faixa de 2,4 GHz é usada por inúmeras tecnologias, como por exemplo: aparelhos de micro-ondas, Bluetooth, 802.11(b-g-n), 802.15.4 (ZigBee, Z-Wave, Thread), e o mesmo ocorre, porém em escala menor, na faixa de 5 GHz (802.11 ac). A faixa Sub-GHz ainda permanece com baixa utilização [9]. No quesito energia, as faixas de 2,4 GHz e 5 GHz tendem a consumir significativamente mais que na faixa Sub-GHz. Já em relação a capacidade de vencer barreiras físicas e propagação de sinal com alcance maior, a faixa Sub-GHz é substancialmente superior as demais. Dessa forma, credenciando-a para utilização nas redes _​LPWAN​.

O ITU (_{​International Telecommunication Union​) regulamentou o uso das faixas ISM} Sub-GHz que dividiu o planeta em 3 regiões. Cada país possui uma regulamentação, como

grupo 1 operando em 433 MHz e 868 MHz e a Ásia no grupo 3 em 915 MHz. As figuras 2 e 3 ilustram as qualidades da rede _​LPWAN.

Figura 2 - Comparativo do Alcance e Largura de Banda de algumas redes [10 ]

Figura 3 - Diagrama comparativo do tempo da vida útil da bateria e alcance[10]

Pode-se perceber que a rede _{​LPWAN se sobressai quando é desejado obter um maior} alcance e uma vida longa da bateria quando comparado as outras infraestruturas de rede e padrões.

2.5 A Tecnologia SIGFOX

2.5.1 Características

O padrão SigFox utiliza a faixa de 915 MHz no Brasil e usa a técnica UNB ( _​Ultra

Narrow Band)_{​[4]​ ​que opera nos 200 kHz da banda disponível e suas mensagens são trocadas} com uma faixa fixa de 100 Hz de largura por mensagem. Essa técnica permite fazer um uso otimizado das potências disponíveis, conseguindo então, utilizar de forma eficiente a largura de banda e ter uma boa robustez contra o ruído [11].

Devido às condições mencionadas, essa técnica permite ter uma maior penetração e consequentemente um elevado alcance, de 10 km a 50 km no meio rural e de 1 km a 5 km no ambiente urbano. Todos esses fatores também contribuem para uma alta duração das baterias, que é um outro ponto forte dessa tecnologia, que dura em torno de 10 anos, podendo chegar a 20 anos dependendo da aplicação [5] e [10] .

Outra vantagem que deve ser mencionada, decorrente da técnica UNB, é que por trabalhar com canais mais estreitos, as taxas atingidas são baixas, entre 100 bps e 600 bps. O que poderia ser uma desvantagem, acaba se tornando mais um trunfo, pois as mensagens do Sigfox ocupam até 12 bytes. Dessa forma, a taxa não só se mostra eficiente como também essa característica permite reduzir o custo de implantação, uma vez que uma baixa taxa de bits permite o uso de componentes de baixo custo na parte do transceptor [11].

Uma combinação utilizada que garante o sucesso da Rede Sigfox é o uso de acesso aleatório ao canal e recepção cooperativa [11]. O primeiro caso consiste em a mensagem

tempos e frequências diferentes, garantindo uma recepção bem sucedida. Já o segundo caso se deve ao fato de a mensagem poder ser recebida por qualquer estação base próxima, e não apenas em uma específica.

2.5.2 Arquitetura

A Rede SigFox aposta em uma arquitetura plana e horizontal, já que essas características reduzem custos de investimento e operacional. É composta de duas camadas principais:_{​ Network Equipment ​e​ SigFox Support Systems ​[11].}

A primeira delas se encarrega de receber as informações vindas dos dispositivos e encaminhá-las para a próxima camada, logo, funcionam como estações base. Já na segunda camada, uma vez recebidas as informações, as mesmas são processadas e direcionadas para o sistema dos clientes. Esse envio é realizado através de _{​callbacks​. Além disso, é nesta camada} que são abrigados todos os recursos necessários para implementação, monitoramento e operação da rede, tornando-a dessa forma, eficaz e operável. O fato da arquitetura ser muito simples é um trunfo importante desta tecnologia, pois possibilita que os dispositivos finais sejam extremamente simples .

A figura 4 ilustra a arquitetura da Rede SigFox:

Figura 4 - Arquitetura da Rede SigFox [ 11 ]

2.5.3 Modulação D-BPSK

Essa técnica de modulação tornará possível as propriedades da LPWAN se evidenciarem e tornar o Sigfox tão inovador. Amplamente aplicado no padrão Bluetooth, o Sigfox também utiliza essa modulação.

Assim como na modulação BPSK utiliza-se a fase da portadora, a diferença é que na DBPSK (_{​Differential Binary Phase Shift Keying​) [12] é utilizada a mudança de fase da} portadora. É baseada em um conjunto de períodos de sinal: quando todos têm a mesma fase, o valor do bit é 1, se a fase mudar no meio do intervalo de tempo, o valor do bit é 0. Dessa forma, o receptor é menos impactado pela variação da fase local [12].

Capítulo 3

Sigfox com Aplicações em Georreferenciamento

3.1 GPS(

_{​Global Position System​)}

No que tange aos sistemas de georreferenciamento convencionais, aplicados em larga escala atualmente, tem-se como referência o sistema NAVSTAR GPS, ou simplesmente GPS [13]. NAVSTAR é um sistema de rádio-navegação por satélites que permite, mediante equipamentos apropriados, obtenção de posicionamento tridimensional, fornecendo os seguintes parâmetros: latitude, longitude e altitude. Possui elevada precisão, estabilidade e cobertura global [13].

Inicialmente foi desenvolvido pelo Departamento de Defesa dos Estados Unidos com intuito de ser o principal sistema de navegação das Forças Armadas americanas, porém ganhou popularidade e a tecnologia se disseminou nos mais diversos segmentos da comunidade civil.

3.2 Príncipio de Funcionamento do Sistema GPS

O sistema GPS funciona da seguinte forma: existe uma rede com 24 satélites

distribuídos em 6 planos orbitais, cada um orbitando a aproximadamente 22.400 km. A figura 5 mostra seu princípio de funcionamento:

Figura 5 - Rede de satélites orbitando a Terra. [14]

Esses satélites possuem relógios de altíssima precisão e enviam constantemente sinais para os receptores. Esses sinais incluem o tempo exato do envio e viajam na velocidade da luz, ou seja, 300.000 km/s. Sendo assim, tendo em posse o tempo de chegada do sinal ( na faixa de ns), é possível descobrir a distância entre o satélite e o receptor.

Para obtenção da posição geográfica do receptor na Terra, é realizado um processo chamado Triangulação. Seu funcionamento será ilustrado na figura 6.

Figura 6 - Processo de Triangulação. [15]

Seu funcionamento consiste em 3 satélites enviando simultaneamente sinais para o mesmo receptor. É medido cada tempo de chegada desses sinais, sendo possível calcular a distância entre os satélites e o receptor. São traçadas circunferências, cada qual com suas distâncias calculadas. O local onde elas se interceptarem, será a localização em questão [15]. Caso seja de interesse saber a altura do receptor em relação ao nível do mar, será necessário um quarto satélite.

3.3 Estrutura dos Sinais Emitidos pelos Satélites GPS

Os sinais de GPS são constituídos a partir de uma frequência fundamental de 10,23 MHz, operando na banda L [13]. Esses sinais serão modulados sobre portadoras para tornar possível seu envio. São utilizadas duas portadoras que têm suas frequências geradas a partir da frequência fundamental. Segue abaixo como são calculadas:

L_​1​ com frequência w_​1​ = 154 x 10,23 = 1575,42 MHz

L_​2 com frequência w _​2 = 120 x 10,23 = 1227,60 MHz. onde 154 e 120 são os multiplicadores adotados.

Segundo estudos [13], esses valores de multiplicadores permitem a compensação, de primeira ordem, do efeito da refração ionosférica.

Os comprimentos de onda correspondentes são: λ_​1​ = 19,05 cm e λ_​2​ = 24,45 cm.

Os sinais L_​1​ e L_​2​ transmitidos para o usuário contêm informações sobre: a) As efemérides do satélite, ou seja, informações da órbita dos satélites; b) As correções do relógio do satélite;

c) Parâmetros atmosféricos;

d) Parâmetros orbitais de todos os satélites (almanaque);

e) Códigos de precisão (código P) só podem ser decodificados pelos receptores de uso militar e possuem maior acurácia;

f) Códigos gerais de posicionamento (código C/A) que são captados pelos receptores disponíveis no mercado para uso civil;

g) Outros dados relevantes sobre o sistema em geral.

3.4 Vulnerabilidades do Sistema GPS

Embora esse sistema tenha ganhado muita popularidade e se tornado o principal método de georreferenciamento da atualidade, há de se levar em conta algumas de suas vulnerabilidades.

● Falhas de antenas

Considerada uma das mais importantes falhas do sistema GPS, a falha das antenas ocorre devido a descargas atmosféricas e queda de raios. A fim de se evitar tal dano, procura-se utilizar antenas à prova dessas intempéries.

● Erros de multipercurso

Decorrente da reflexão do sinal GPS em montanhas e prédios, gerando um atraso adicional e consequente imprecisão.

● GPS _​spoofing

Tal processo pode ser descrito como um ataque externo que gera sinais que são muito similares ao sinal do GPS e os transmite com potência levemente superior. Isso só é possível pois os sinais de GPS para o uso civil não são criptografados.

● GPS_{​ jamming}

Jamming é um ruído na faixa de 1,57542 GHz usada para GPS civil. Esse ruído bloqueia os receptores GPS. Vale ressaltar que os dispositivos GPS _{​jamming​ são ilegais.}

● Explosões solares

Embora ocorram na média entre 1 e 2 vezes no ano, os raios-x e radiação ultravioleta emitidos neste processo podem afetar a ionosfera consequentemente, afetando o sinal GPS.

Capítulo 4

Solucionando Vulnerabilidades com o uso do Sigfox

Visando fornecer um serviço com cada vez mais qualidade, precisão e economia, entra em cena a tecnologia Sigfox. Proporcionando baixo custo para o usuário e significativa diminuição de consumo de energia, torna-se grande aliada para dar suporte aos sistemas de georreferenciamento.

Atualmente ela está disponível em algumas combinações com tecnologias já existentes, agregando performance à serviços de localização e rastreamento. Os estudos e análises que virão a seguir são adaptadas referência bibliográfica de número [19].

Tabela 2 - Serviços de Georreferenciamento sem o uso do Sigfox. [19] .

Vale ressaltar que as tecnologias expostas na tabela 2 apresentam entre si prós e contras quando avaliados os critérios de custo, precisão e consumo de energia.

Devido a características intrínsecas da rede Sigfox, apenas as tecnologias 1, 2, 5 e 6 são compatíveis. Logo, será feita uma análise dessas possíveis combinações, evidenciando suas principais características e benefícios para o serviço que será prestado.

1) Nível de Sinal + Mapas de Predição + Aprendizado

Considerado um dos serviços básicos da Sigfox, também chamado de _​Sigfox

Geolocation Service_{​, este método funciona da seguinte forma [19]:}

Níveis de sinal (RSSI – _{​Received Signal Strength Indicator​) são recebidos pela rede,} conforme figura 7:

Figura 7 - Processo de Recebimento de sinal. [19]

Esses níveis de sinal servem como entrada em modelo probabilístico e com o auxílio de mapas de predição de nível de sinal, é possível a geração de um mapa de probabilidades. Através deste último, é estimada uma posição central e um raio de confiança, conforme figura 8:

Figura 8 - Mapa de probabilidades do dispositivo. [19]

A eficácia e precisão deste método depende de alguns fatores, tais como: raio de cobertura de cada estação e número de estações que receberam o sinal. Sendo assim, tendo em vista sua dependência com o número de estações receptoras, conclui-se que sua eficiência aumenta com o crescimento da rede, ou seja, quanto maior o número de estações disponíveis para receber o sinal, mais confiável e operacional será o sistema.

Uma observação importante é que essa tecnologia permite precisões de rastreamento entre 1 km e 10 km [19]. Dessa forma, torna-se um pouco limitado a aplicações, sendo apenas vantajoso em casos onde esses valores sejam razoáveis. Um fator que deve ser levado em conta em sua utilização é a atenuação do dispositivo, que se torna um parâmetro de difícil

controle, dependendo se o meio é indoor ou outdoor. Entretanto, um benefício dessa tecnologia é seu preço extremamente baixo, que é de alguns centavos de dólar por ano [19].

2) Sigfox + GPS

Esse tipo de combinação é bem interessante pois assemelha-se muito à precisão dos rastreadores que fazem uso da tecnologia celular hoje disponíveis, porém com uma grande vantagem: custo [19].

Esta assinatura SigFox custa uma pequena fração se comparada à conexão GPRS, o que a torna bem atrativa para os consumidores. Até mesmo a assinatura SigFox de valor mais elevado, R$ 30/ano, continua financeiramente acessível.

Um fator que pode causar dúvidas sobre sua funcionalidade é que esta assinatura citada, disponibiliza ao cliente 140 mensagens por dia de 12 Bytes/dia, colocando em xeque sua aplicabilidade, porém segue alguns fatos:

Tendo em posse o fato de o raio da terra medir 6371 km, conclui-se uma circunferência de 2*π*6371= 40030 km. Outra informação que possuímos é que os sistemas GPS de uso civil podem fornecer localização com precisão de 4 m. Com isso, conclui-se que a maior precisão possível do GPS é de aproximadamente de 4 m/40.030 km = 10 _​-7​_{. Para}

representar a precisão em questão, são necessários números que vão de 0 a 10 _​7​_{, que por sua}

vez, necessita de log2(10 _​7​_{)+1=24,2 bits para ser representado, ou seja, por volta de 3 Bytes.}

Por fim, para ser possível enviar a posição na superfície da Terra são necessãrios 6 Bytes apenas, ou seja, sobram ainda outros 6 Bytes em uma mensagem Sigfox.

Segue um exemplo para ficar claro sua eficácia, baseado em [19]:

Transformando em bits, 2* (log _​2​(5.000)+1) = 26 bits, que são 3.25 Bytes. Arredondado para 3 Bytes temos 12 bits para latitude e 12 bits para longitude. No caso limite dessa técnica, veremos que podemos rastrear veículos com velocidade até 143 km/h e saber sua posição a cada 3.4 minutos. Dessa forma conclui-se que 6 Bytes para envio de mensagens é um valor satisfatório [19].

Além dessas otimizações que podem ser realizadas, vale ressaltar que ao se enviar uma mensagem Sigfox, ela já nos dá a coordenada da rádio base que a recebeu, e desta forma podemos eliminar mais alguns bits tanto da longitude quanto da longitude, tornando ainda menor o tamanho das mensagens.

As figuras 9 e 10 ilustram alguns equipamentos que desempenham a função de rastreador:

Figura 9 - Rastreador Suntech ST730 [19]

Figura 10 - Rastreador Oyster [19]

Um GPS convencional pode gastar até 40 s para adquirir os sinais dos satélites com consumo de 47 mA e gasta por volta de 41 mA em operação.

Figura 11 - Corrente de um GPS típico em operação. [19]

Observe que neste caso em 1200 s o GPS gastou 30*10*0,041=12,3 A.s, ou seja, 1,23 A.s por aquisição de posição, enquanto o rádio Sigfox realizou duas transmissões de 0,104 A.s, ou seja, um aproveitamento de aproximadamente seis vezes maior.

3) Sigfox + WiFi

Se comparado ao método anterior, SigFox + GPS consegue ser ainda mais econômico, tanto no quesito energia quanto no preço de equipamentos, visto que um ponto de acesso WiFi é mais barato que um receptor de GPS. O ponto chave desse método é que ele se beneficia da onipresença dos pontos de acesso WiFi, ou seja, existem AP's por toda a parte atualmente, e também do fato de existirem diversas bases de dados que fornecem a

geolocalização desses AP’s. Além disso, se comparado ao primeiro método citado, melhora significativamente a precisão.

Este método funciona da seguinte forma:

● É realizada uma varredura dos canais de WiFi pelo dispositivo e em seguida, feito um levantamento dos pontos de acesso ao seu redor;

● Dentre esses AP’s levantados anteriormente, o dispositivo escolhe um ou mais e envia para um servidor;

● Esses AP’s e as estações que receberam a mensagem são recebidos pelo servidor;

● Com base nas estações Sigfox, o servidor pede uma Sigfox Geolocation do dispositivo;

● Em posse desta locação, a mesma é usada como entrada inicial do banco de dados de pontos de acesso WiFi georreferenciados;

● Com a informação anterior buscamos a geolocalização dos pontos de acesso e calculamos onde eles estão.

Como a maior parte desse processo ocorre no servidor, há menor consumo de energia no dispositivo. No dispositivo em si, ocorrem processos de varredura passiva do espectro, isto é, o dispositivo dedica determinado período de tempo em cada canal WiFi e espera para receber um _{​Beacon Frame naquele canal. Esses ​Beacon Frames​ são ​frames de} gerenciamento, que contêm todas as informações sobre a rede.

Considerando o fato de termos 11 canais e que os _{​Beacon Frames são enviados a cada} 100 ms, logo o tempo gasto com essa operação será de 1,1 s. Se considerarmos que um chip WiFi chip ESP32 da Espressif que gasta 100 mA para receber WiFi, ele gastará no total 1,1 s

Após a varredura ser executada, o dispositivo terá disponível uma lista possuindo todos os BSSID ( _{​Basic Service Set Identifier) de pontos de WiFi internamente, logo, poderá} escolher o BSSID com melhor sinal para enviar para a rede Sigfox. Com relação à estrutura desses BSSID’s, ele é composto de 6 Bytes do MAC dos pontos de acesso e 6 Bytes do Fabricante. Felizmente, na maioria dos casos pode-se comprimir muito os bytes de fabricante, e um pouco os do MAC. Desta forma em um Frame Sigfox, pode-se enviar 2 ou mais BSSIDs.

O dispositivo da figura 12, da Companhia portuguesa Loka Systems, desempenha a função de rastreador WiFi. Ele funciona através de 2 pilhas modelo AA, possui dimensões 7 cm x 2,2 cm x 2,6 cm e seu custo varia em torno de US$ 30.00 ou menos.

Figura 12 - Rastreador WiFi da Loka. [19]

Segue na figura 13 a imagem do sistema de localização e rastreamento oferecido pela Loka Systems para seus usuários:

Figura 13 - Tela da aplicação de rastreamento da Loka-Systems.[19]

Para um melhor resultado, ainda é ofertado um kit de expansão, com possibilidades de inserção de um acelerômetro (que possibilitará um menor consumo de energia, uma vez que o equipamento só será acionado ao acelerar ou parar), medidor de nível de bateria, medidor de temperatura, entre outros. Tal equipamento é mostrado na figura 14:

Figura 14 - Rastreador Loka montado em sua placa de expansão. [19]

Por último, também é possível que o usuário desenvolva seus próprios serviços de localização utilizando recursos da placa, por US$ 46.00 adquirindo o equipamento mostrado na figura 15:

Figura 15 - Localizador WiFi mcTrack330. [19]

Tendo em vista as soluções apresentadas e considerando o fato delas serem propostas para mitigar as cinco vulnerabilidades anteriormente mencionadas, o Sigfox apresenta-se bastante eficiente neste propósito. Conforme será detalhado a seguir, três dos cinco problemas são solucionados, são eles: explosões solares, GPS _{​spoofing​ e GPS​ jamming.}

● Explosões Solares

Com base no fato desse método não fazer uso de satélites, o que gera um fluxo de informações pela ionosfera que o torna vulnerável a explosões solares, essa intempérie não mais acarretará numa possível falha do sistema.

● GPS _​spoofing

Diferentemente do GPS tradicional, o Sigfox faz uso de criptografia baseada em AES-1282 (_{​Advanced Encryption Standard​) [20], melhor dizendo, um sistema de cifragem e} decifragem simétrica que possui blocos de tamanho fixo de entrada e saída de 128 bits.

Através do uso de criptografia, ele se torna imune a um ataque de _{​spoofing​, que é um ataque} criminoso que falsifica informações e invade sistemas. Logo, neste quesito o Sigfox torna o processo de georreferenciamento mais seguro

● GPS _​jamming

Neste caso em particular, o Sigfox torna o sistema praticamente imune à ação de

jammer_{​, tornando-o muito robusto para atividade de rastreamento. ​Jammers são aparelhos}

muito utilizados por ladrões que visam anular o sinais emitidos pelos equipamentos que alertam sobre o roubo ou furto dos veículos. Eles são capazes de interromper a frequência do rastreador que opera via satélite, neutralizando os sinais de GPS/GPRS, pois esses modelos de rastreadores funcionam com uma frequência similar à do GSM.

4.1 Um Caso de Aplicação

Visto o crescente número de roubos de carros no Brasil, torna-se de extrema importância o desenvolvimento de equipamentos capazes de rastrear esses automóveis. Nesse sentido, foi lançado em 2018 na Exposec (Feira Internacional de Segurança) em São Paulo, o dispositivo GetrakFox [22]. Este equipamento tornou bem sucedida a recuperação de um veículo roubado no Brasi, mais especificamente em Pernambuco, e neutralizou um prejuízo de quase R$ 60.000.

Após diversos testes, opera de forma comercial com atraente razão custo-benefício. Ele opera integrado a uma plataforma de rastreamento, telemetria e inteligência artificial.

Capítulo 5

Sigfox com Aplicações em Medições

5.1 Contador de Volume de Água

A tecnologia Sigfox vem sendo protagonista na área de medição de recursos tão importantes para a humanidade. Com o intuito de gerar economia financeira e evitar o desperdício, ela viabiliza a comunicação sem fio entre o dispositivo e a Internet. No entanto, antes precisamos definir as principais categorias e os diferentes métodos de medição de água. Podemos citar para a primeira categoria, os contadores residenciais e por conseguinte os contadores industriais. Este último por possuírem demandas de medição maiores, também apresentam princípios diferentes.

Os contadores residenciais, embora sejam mais simples, apresentam princípios de funcionamento diferentes. Na figura 16 está representado um contador residencial que popularmente é utilizado na residência das pessoas. Ele mostra o consumo do volume de água em m³ no visor de forma digital e também o consumo de frações do m³ de forma analógica.

Figura 16 - Contador de água típico residencial. [23] .

​

5.2 Contadores Residenciais

Os contadores residenciais, em sua grande maioria, abordam predominantemente duas técnicas de aferição de água, uma que é utilizada como pivô para a medição de velocidade e outra que lida com a medição volumétrica. .

5.2.1 O contador de velocidade

Contador de velocidade ou também chamado de hidrômetro taquimétrico funciona da seguinte forma: a água que passa em velocidade sobre um órgão móvel, que pode ser uma

turbina ou uma hélice, contabiliza o número de rotações por unidade de tempo e dessa forma esse dado está relacionado com o volume escoado.

No entanto, há uma subdivisão desse hidrômetro taquimétrico em monojato e multijato [24]. O que os diferem é a quantidade de jatos de água que são dados para os medidores serem acionados por cada um. O primeiro lança apenas um único jato, enquanto o segundo proporciona múltiplos jatos de entrada, que por atuarem de forma mais centralizada, possuem maior estabilidade no giro da turbina tornando-o altamente resistente ao desgaste. Nas figuras 17 e 18 temos a representação ilustrativa de como cada tipo de contador de velocidade trabalha.

Figura 18 - Contador Multijato. [24]

5.2.2 O contador volumétrico

Esse hidrômetro possui câmaras internas, de capacidade pré-conhecidas que se enchem e esvaziam com a passagem de água. Ela também possui uma parte móvel que descreve um movimento periódico. O período que esse processo acontece é proporcional ao volume de água. O número de revoluções da parte móvel é contado, podendo ser assim determinado o volume de líquido consumido. Os contadores volumétricos mais comuns são o de pistão e o de disco.

O contador de disco consiste numa câmara dividida por um disco. Quando o disco

completa uma rotação, a água irá atravessar a câmera. Como já sabemos o volume necessário de água para completar a rotação, basta que seja sabido o número de rotações de disco dadas para se obter o volume consumido.

O contador de volume por pistão é dividido em duas versões. A primeira consiste em

quatro cilindros cujo volume é conhecido. O movimento dos pistões faz com que um pino central inclinado descreva um movimento circular. Para que a água circule, ela deve entrar num cilindro. Visto que o volume de cada cilindro é conhecido e que o seu movimento faz o pino central descrever um quarto de circunferência é possível determinar o volume total consumido contando o número de rotações do pino central.

No contador de pistão oscilante, o líquido entra numa câmera de volume já conhecido e dentro dessa câmera existe um pistão que faz movimentos circulares em torno do eixo central do contador e divide a câmera em duas partes, o movimento do líquido faz com que o pistão entre em rotação e dessa forma sabendo o número de rotações do pistão consegue-se obter o volume de água.

Os contadores volumétricos, apesar de serem muito precisos e sensíveis, não são utilizados no Brasil na medição convencional de água em sistemas de saneamento. Seu custo é muito alto, seu mecanismo para facilmente por conta de qualquer partícula que se aloje em suas câmaras e lá permaneça interrompendo o fluxo, deixando o consumidor sem água.

Figura 20 - Contador de pistão. [24]

Figura 21 - Contador de pistão oscilante. [24]

É observado que os contadores funcionam de forma mecânica e a forma que as partes móveis alteram o mostrador é através de ímãs que fazem a transmissão do movimento da turbina para o contador. Ainda são estrategicamente colocados anéis metálicos dentro do equipamento para impedir qualquer campo eletromagnético externo que interfira na aferição do equipamento.

Capítulo 6

Padrão Sigfox no Uso da Medição

Agora que já definimos quais são tipos de medidores e quais são seus princípios de funcionamento, precisamos entender como o padrão de rede Sigfox auxilia na conexão entre os equipamentos de medição e à internet ou até mesmo entre si. Segundo o estudo feito por [25], a arquitetura da rede para a aplicação estudada ficou definida na figura 22:

Figura 22 - Diagrama de blocos da solução proposta. [24]

Cada bloco desse permite uma função específica na qual será abordada com mais detalhe ao longo do nosso estudo. O bloco de contagem e de comunicação fica responsável

móvel ficaria responsável pelo armazenamento de dados, ocupando então um espaço na memória do dispositivo.

E por último o bloco de aplicação, que é onde o usuário, através de um aplicativo, pode consultar o seu consumo e dessa forma obter maior controle.

6.1 Contagem e Comunicação

Existem duas grandes preocupações para o efetivo aproveitamento desse bloco, uma é a longevidade das baterias, e dessa forma é preciso que o consumo de energia seja o mínimo possível, e a outra é garantir que as informações possuam uma BER( _{​Bit Error Rate​) baixa,} logo deve ser bem projetado e compatível com o contador de água propriamente dito. Por motivos técnicos, este bloco será colocado em série com o contador de água [25].

Para a obtenção desses requisitos foram estudadas diversas maneiras, no entanto, apenas uma se mostrou plenamente satisfatória, que é a utilização de sensores Wiegand.

6.2 Sensor Wiegand

O sensor Wiegand atende o princípio do efeito Wiegand, descoberto pelo pesquisador

John Wiegand. Tal efeito emprega a propriedade magnética exclusiva de um pequeno fio ferromagnético especialmente processado que possui a propriedade de ser magnetizado por campos magnéticos externos. Dessa forma, foi descoberto que quando esse fio está sujeito a um campo magnético externo inverso, ele retém a polaridade por certo ponto e repentinamente ele vira para a polaridade oposta. Essa mudança da polaridade acontece muito rapidamente e dessa forma é gerada uma corrente que alimenta o sensor de Wiegand, não necessitando então de uma fonte externa para a alimentação [25].

Esse processo acontece inúmeras vezes, a cada vez que a polarização retorna para a original é contado um novo ciclo. A figura 23 ilustra como acontece a inversão de polaridade no fio ferromagnético.

Figura 23 - Processo de magnetização do fio de Wiegand. [26]

Em seguida o sensor é ligado aos terminais do osciloscópio para que se possa observar o impulso gerado quando sujeito a uma inversão da polarização utilizando um ímã. A figura 23 representa esse impulso. Pode observar-se uma amplitude de cerca de 8 V e uma largura de cerca de 15 µs.

É importante referir que independentemente da velocidade da inversão, da distância do ímã ao sensor (dentro do alcance) ou do campo do ímã (desde que acima do valor mínimo), o impulso gerado é sempre igual, sendo este fato comprovado na fase de testes.

Figura 24 - Pulso gerado pelo sensor quando há uma inversão do campo magnético. [25]

Agora que já foi explicado o sensor de Wiegand, é necessário que seja acrescentado algum equipamento que faça a contagem dos impulsos gerados pelo sensor. Posteriormente esses impulsos serão convertidos para litros. Outra preocupação abordada foi a escolha de um dispositivo que tivesse um baixo consumo de energia e a possibilidade de haver comunicação com o módulo Sigfox. Dessa forma foi escolhido a utilização de um microcontrolador.

6.3 Utilização do Microcontrolador

Foi utilizado um microcontrolador MCU (_{​Microcontroller Unit) que é interrompido} cada vez que um impulso chega e ele aproveita justamente essa interrupção para tratar e fazer as contagens dos impulsos que estão chegando. Além disso, ele tem a função de comunicar a quantidade de impulsos que chegam ao módulo Sigfox e depois reiniciar sua variável de contagem. Uma análise mais aprofundada do funcionamento do microcontrolador, embora

tenha sido evidenciada no projeto do [25], não foi objeto de análise deste estudo, tendo em vista que este documento visa uma melhor compreensão do protocolo Sigfox em si.

6.4 Plataforma de Comunicação

Como todo o projeto e objetivo de pesquisa gira em torno da utilização do padrão Sigfox, é necessário um dispositivo que implemente esse protocolo. Além disso é de suma importância que o dispositivo também possua um baixo consumo de energia e uma rápida transição de desligado para o modo ativo.

6.5 Módulo Sigfox

Sob essas diretrizes, foi escolhido o módulo SFM10R1 da WISOL [25], montado na

breakout board_{​ BRKWS01 da SNOC. Este módulo apresenta as seguintes características.}

. Possui 1 ano de licença na rede Sigfox e todo material utilizado para a montagem da placa.

. Utiliza os protocolos de comunicação SPI (_{​Serial Peripheral Interface​) e UART} (_{​Universal Asynchronous Receiver Transmitter​) [25].}

. Possui os pinos com funcionalidade de conversão analógico/digital e dessa forma podendo informar sobre o nível de bateria.

. Programação via comandos AT

. Com esta programação pode ser alterada a baud-rate, pode ser colocado em modo baixo consumo e enviados dados para a cloud .

O protocolo de comunicação UART utiliza a interface em série para transmitir seus

bits. Isso faz com que linhas sejam economizadas e consequentemente pinos para a sua implementação quando comparada com a comunicação em paralelo. Tal método pode ser visto na figura 25.

Figura 25 - Representação de uma comunicação paralelo/série. [27]

Como indicia o nome do protocolo UART a comunicação é assíncrona, i.e. sem qualquer sinal de relógio. Os bits são enviados/recebidos na baud rate. A taxa indica o número de oscilações elétricas por segundo que ocorrem em uma transmissão de dados. O termo “mudar estado” significa que ele pode variar de 0 para 1 ou de 1 para 0 até X vezes (nesse caso 2400) por segundo. Os bits circulam por duas linhas (TX e RX, respetivamente de transmissão e recepção) o que permite uma comunicação simultânea nos dois sentidos (full duplex portanto).

A arquitetura utilizada foi feita utilizando o protocolo UART como pode ser observado na figura 26:

Figura 26 - Circuito com módulo Sigfox. [25]

Após estabelecida a arquitetura do projeto, é feita a parte de envio de dados respeitando o padrão Sigfox. A mensagem Sigfox tem um _{​payload de 12 bytes, o programa} foi feito para ser utilizado com comandos AT. Dessa forma, a mensagem pode ser representada por um array como mostra a figura 27.

permite que seja enviado uma mensagem com o payload desejado que será colocado após o sinal de igual. Os outros comandos são construídos dessa forma. Se quisermos colocar o módulo para baixo consumo de energia é feito o procedimento “AT$P=1”

6.7 Plataforma Cloud

Esta plataforma foi dividida em dois elementos por [25]: a aplicação do servidor e a base de dados. Para alojar a aplicação do servidor, foi escolhida a plataforma gratuita da Heroku. A linguagem escolhida para fazer a aplicação foi a PHP. Também oferece alojamento de base de dados PostgreSQL e integração com serviços da Github [25].

6.7.1 Requisitos da aplicação do servidor

A aplicação do servidor será responsável por fazer a ligação entre a aplicação móvel e a base de dados, respondendo a pedidos de requisição de dados ou apenas de validação desses.

6.7.2 Base de dados

Foi criada uma base de dados para guardar as informações do usuário, do seu medidor e das medidas. As informações podem ser guardadas no dispositivo móvel do utilizador porém, sempre que o usuário resolvesse apagar o aplicativo ou até mesmo a memória cache do dispositivo móvel, toda a informação iria desaparecer. Sendo assim, seria necessário descarregar e organizar todas as leituras a partir da _{​cloud do Sigfox, tornando a aplicação} lenta e pesada para a memória do celular. Logo, foi utilizado o serviço da ElephantSQL [25] que utiliza uma base de dados PostgreeSQL. Essa plataforma foi escolhida devido à familiaridade de [25].

6.8 Aplicação Móvel

Por último foi criado o aplicativo pelo qual o usuário consegue analisar o seu consumo e identificar eventuais problemas que possam aparecer. O aplicativo foi criado para o sistema Android e utilizando o IDE Android Studio, que recorre ao XML para a programação do ambiente gráfico e Java para programar as ações. Além disso, o aplicativo conta com uma interface interativa, necessitando que o usuário entre com login e senha. Também é possível configurar na unidade m³ e assim prever quanto o usuário vai arcar no final da sua fatura. O nome da aplicação foi “Hydrofox”. Na figura 28, é mostrada a tela principal da aplicação móvel após ter sido feito o login.

6.9 Comparando as Aplicações

Embora cada aplicação se proponha à realizar determinado objetivo e possua particularidades em suas implantações, foi possível notar alguns pontos em comum, bem como algumas distinções.

6.9.1 Semelhanças

● Ambas visam gerar baixo custo de energia.

● Possuem software de aplicação para o usuário, tornando seu uso mais interativo.

● Apresentam fácil implementação e baixo custo de investimento para o usuário final.

6.9.2 Diferenças

● No caso do medidor de água, com o uso do sensor de Wiegand, não é necessário o uso de fonte de alimentação externa, sendo a corrente gerada por campos magnéticos externos.

● Maior variedade de combinações de tecnologias no caso do georreferenciamento.

Dessa forma conclui-se que dentro do que cada uma das aplicações propõe, elas desempenham seus papéis de maneira satisfatória e geram um bom custo/benefício para o usuário. Logo, o Sigfox se mostrou grande aliado para aperfeiçoamento dessas

Capítulo 7

Conclusão

7.1 Considerações Finais

Foi de grande importância dissertar a respeito dessa ferramenta ainda pouco conhecida no Brasil, expor seus pontos fortes e provar sua aplicação no atual contexto que vivemos, elucidar seu funcionamento e que critérios são atendidos.

Mediante tudo que foi exposto até aqui, são notáveis os benefícios trazidos com o uso do Sigfox. Foi possível significativa redução dos custos de implantação do projeto, forneceu um satisfatório custo/benefício ao usuário final, demonstrou-se superior no quesito duração de baterias, tudo isso com uma arquitetura simples sem complexidades.

No Capítulo 1, pudemos expor que o Sigfox foi uma escolha acertada ao compará-la com outras tecnologias LPWAN, PAN e LAN, visto sua superioridade nos critérios analisados, critérios estes particulares à nossas aplicações.

Em seguida, após realizado um estudo detalhado da rede Sigfox, sua arquitetura e principais características, pode-se perceber que fazer proveito de suas particularidades seria enriquecedor para darmos embasamento em nossas aplicações. Conseguimos explorar os pontos fortes da tecnologia e mesmo seus pontos mais frágeis, não foram capazes de ofuscar ou até mesmo tornar inviáveis os projetos em questão.

No quesito das aplicações estudadas, após pesquisas em sites e artigos que visassem solucionar as fragilidades do sistema, obtivemos um resultado bem sucedido. Isso porque no que tange georreferenciamento, dadas as vulnerabilidades mencionadas, foi possível solucionar três das cinco, resultando num aproveitamento de 60%. Esse resultado é importante e vale ressaltar que através de estudos mais aprofundados, em determinado período de tempo as demais fragilidades também poderão ser mitigadas.

Ao que se refere ao uso de medidores inteligentes, o nosso objetivo inicial de apresentar uma solução já estudada se mostrou bastante satisfatória, na medida em que foram confirmados que o uso do Sigfox pode não apenas demonstrar uma economia no bolso do consumidor mas também um melhor aproveitamento do recurso.

7.2 Trabalhos Futuros

Como sugestão para trabalhos futuros, tem-se a perspectiva de estudos para possíveis melhorias da tecnologia Sigfox. No nosso entendimento, esse aperfeiçoamento viria caso o Sigfox estivesse apto a fazer uso de algumas características intrínsecas da rede LoRa. Como exemplo podemos citar: quantidade ilimitada de mensagens, maior alcance, dentre outros. Dessa forma, acreditamos que o leque de possibilidades para o uso dessa tecnologia se expandiria.

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