Dispositivos de Baixo Consumo - Integração em sistemas IoT

Introdução

Todos nós que nos dedicamos à eletrônica, telecomunicações ou TI, conhecemos a famosa lei de Moore, que previa a duplicação do número de transistores em um microcontrolador, e que tem acertado ano após ano, levando esse número até as portas dos 50 trilhões de transistores onde nos encontramos agora em 2023 e que começou com poucos milhares lá pelos anos setenta.

Uma progressão logarítmica, que abriu uma quantidade de novas possibilidades de computação, e processamento que levaram o Edge, e os dispositivos portáteis a outro nível de capacidades.

Mas essas capacidades de computação têm um requisito imutável até agora (e acredito que também no futuro), energia. Sem ela não há processamento, não há comunicação, não há dados. Portanto, não é nenhuma loucura colocar em um nível similar de importância, a lei de Moore e a evolução da densidade de energia disponível nos dispositivos.

É fácil perceber que não foram nem de longe vidas paralelas.

As baterias modernas nascem no século XIX, enquanto os transistores como os conhecemos na década de 70, portanto, as baterias teriam 130 anos de "vantagem", os transistores multiplicaram seu número por 50M, enquanto a densidade de energia (Wh/l) apenas por 250.

Deixando de lado as considerações físicas de ambas as tecnologias que evidentemente são distintas, o ritmo de evolução das baterias não seguiu o da capacidade de processamento, por isso foi necessário investir na redução de consumos para poder fechar a lacuna entre eles.

Portanto, o conceito de Low Power entre os dispositivos atuais se tornou algo primordial para conseguir estender a inteligência no Edge, mobilidade e dispositivos pessoais.

Ecosistema Low Power

O esforço da indústria eletrônica para construir dispositivos cada vez menores e com menor consumo tem sido considerável nos últimos anos, e levou a ter não apenas dispositivos Low Power com baterias ou conectados de muito baixo consumo, mas até mesmo dispositivos Ultra Low Power que operam sem baterias, e que através de Energy Harvesting são capazes de coletar e enviar dados de forma ininterrupta, evitando assim a necessidade de recarga ou substituição das baterias.

A necessidade de contar com sistemas que tenham uma longa duração, especialmente em ambientes de monitoramento, sensorização e controle de elementos e dispositivos físicos, resultou no surgimento de diversas tecnologias que permitem sua implementação, e que basicamente categorizamos com base em como se conectam à internet ou a outros dispositivos. Assim, encontramos aqueles que têm a capacidade de conexão direta, como:

• Wi-Fi: talvez a menos Low Power de todas, mas que permite conectar dispositivos como computadores ou celulares com altos níveis de transferência de dados e baixa latência, embora seu alcance de operação também seja limitado.

• Celular: Redes como LTE CAT 1, LTE CAT M1, ou NB-IoT permitem que dispositivos de baixo consumo se conectem à internet de forma direta, com amplos alcances de conexão e volumes de transferência também diversos, mas são sistemas licenciados, portanto, precisam de uma assinatura ou SIM.

E por outro lado, os mecanismos que requerem de um Gateway como dispositivo intermediário de conexão à internet:

• Bluetooth: Protocolo privado que atingiu grandes quotas de mercado no ambiente de consumo, com modos de baixo consumo, mas com limitações em termos de alcance, largura de banda e segurança.

• ZigBee: com a capacidade de criar redes do tipo mesh, a comunicação entre dispositivos e com o Gateway permite a conexão à internet, com consumos muito baixos e um grande alcance de comunicações, mas com larguras de banda reduzidas e uma gestão de rede complexa.

• LoRaWAN: com a conexão ao gateway, esses dispositivos de muito baixo consumo podem se conectar à internet e possuem grandes alcances de comunicação, ao custo de larguras de banda muito reduzidas.

• Sub-GHz: consumos extremamente baixos e alcances de comunicação consideráveis, mas com larguras de banda muito limitadas, e regulamentações variáveis em relação ao espectro radioelétrico conforme os países, para a comunicação de dados através de um Gateway para a internet.

Tudo isso com uma diversidade de protocolos que permitem a troca de dados, MQTT, AMQP, HTTP, CoAP, DDS, LwM2M e muitos outros específicos, criando um ecossistema muito diverso e complexo.

Edge ou não Edge

Excetuando os casos de celular e wifi, a integração de sistemas Low Power, em muitos casos deve contar com dispositivos Edge para conseguir conectar os dados à internet, os Gateways neste caso se tornam elementos imprescindíveis onde os dispositivos conectam e transmitem seus dados, mas também como elementos de processamento que permitem a limpeza e otimização destes.

Os equipamentos capazes de realizar a conexão direta à internet (Wifi ou celular) permitem economizar essa camada intermediária de conexão e gestão, mas também implica ter que delegar a gestão do ciclo de vida do dispositivo ao próprio dispositivo ou às camadas superiores na plataforma onde se conectam, para poder realizar as tarefas de controle e manutenção necessárias, que podem ser ainda mais complexas se falarmos de infraestrutura licenciada.

Os sistemas que requerem uma camada intermediária Edge, a utilizam em muitos casos para gerenciar o ciclo de vida dos dispositivos conectados, para o onboarding, atualização de Firmware (FOTA), como para a retirada e desconexão desses dispositivos ou até mesmo para delegar tarefas de processamento dos dados. Em muitas ocasiões essa camada intermediária é não só necessária por arquitetura, mas também pelas limitações em termos de capacidades de gestão dos próprios dispositivos.

Integração IoT

A padronização cada vez mais importante de protocolos está permitindo que tanto os dispositivos quanto as plataformas IoT contem com a compatibilidade necessária para a integração de qualquer tipo de dispositivo e protocolo. Adicionalmente, as camadas Edge onde muitos desses dispositivos se conectam permitem realizar qualquer tipo de conversão de protocolo ou dados.

Aqueles dispositivos com infraestruturas específicas, como podem ser as tecnologias de comunicação celular, também contam com a possibilidade de se conectar por meio de gateways de interconexão de dados para que o fluxo de dados chegue em forma e tempo ao seu destino. Um exemplo pode ser a realização do gateway específico entre NB-IoT e o Hub na nuvem da AWS baseado em IP, isso permite a comunicação de balizas de emergência da HelpFlash, conectadas à rede da Vodafone e levar os dados a uma plataforma Cloud IP para se integrar finalmente com a plataforma da DGT.

Por outro lado, os sistemas que requerem Edge, dispõem da versatilidade de dimensionar esta camada para dotá-los de capacidades de processamento e interoperabilidade quase infinitas. Assim, por exemplo, podemos conectar, por meio de um Gateway com base Linux, numerosos dispositivos Bluetooth Low Power da Roca, permitindo a gestão do ciclo de vida, atualização, bidirecionalidade para o controle dos dispositivos e o processamento dos dados para otimizar os pacotes de informação para a nuvem, ou para a interpretação dos dados diretamente no Edge. Adicionalmente, permite incorporar uma camada adicional de segurança que limita tanto o acesso quanto a propagação de possíveis ataques na rede.

Em resumo, a escolha do dispositivo, conectividade e protocolo é uma fase importante a ser considerada no desenvolvimento do caso de uso e de negócio mais favorável. As necessidades ou capacidade operativa de manutenção sobre os dispositivos (para a troca de baterias, por exemplo), o alcance das comunicações necessário, bem como a largura de banda requerida para a transmissão dos dados, juntamente com a disponibilidade de infraestrutura de comunicações e de rede, em função da localização dos dispositivos, condicionam a escolha da arquitetura mais favorável para conseguir um retorno de investimento positivo e um modelo de exploração viável.