Como monitorizar uma quinta sem energia da rede e sem fibra
Para monitorizar uma quinta remota sem energia da rede nem fibra, é preciso conceber a partir do orçamento energético para trás, usando telemetria LoRaWAN de baixo consumo em vez de WiFi ou rede móvel, que consomem muito.
Para monitorizar uma quinta sem energia da rede e sem fibra, é preciso abandonar a mentalidade de consumo que passa por usar sensores baseados em WiFi ou rede móvel. Em vez disso, a solução está em construir uma rede privada de baixo consumo e longo alcance (LPWAN) com tecnologia LoRaWAN, assente em nós concebidos a partir do orçamento energético para trás.
Um sistema de monitorização remota bem-sucedido não começa pela escolha dos sensores; começa por calcular quantos miliwatts de energia se conseguem captar e armazenar, e até onde essa energia consegue levar um sinal de rádio. Ao juntar um único gateway alimentado a energia solar com nós sensores de consumo ultrabaixo, é possível monitorizar a humidade do solo, os portões de segurança, os níveis de água e os padrões meteorológicos ao longo de milhares de hectares sem um único centímetro de fio de cobre nem qualquer ligação à rede elétrica.
O orçamento energético: porque é que o WiFi e a rede móvel falham na quinta
Para perceber porque falham as tecnologias sem fios tradicionais em ambientes agrícolas, temos de olhar para a física da transmissão em radiofrequência (RF) e para o consumo dos vários microcontroladores. Uma ligação WiFi normal foi pensada para débitos elevados a curta distância. Para manter essa ligação, um chip WiFi tem de permanecer ativo, consumindo entre 100 mA e 240 mA de corrente a 3,3 V. Mesmo que seja programado para dormir e acordar apenas para transmitir, o processo de procurar um ponto de acesso, associar-se, negociar um endereço IP por DHCP e enviar dados demora entre dois e cinco segundos. Fazê-lo várias vezes por dia esgota uma bateria de iões de lítio 18650 comum de 2500 mAh em poucas semanas.
As redes móveis (incluindo NB-IoT e LTE-M) oferecem melhor alcance, mas sofrem de penalizações energéticas semelhantes. Um modem celular tem de negociar com uma estação base, o que pode exigir até dez segundos de transmissão a alta potência (com picos frequentes acima dos 200 mA). Além disso, na África do Sul as redes móveis são altamente vulneráveis ao load-shedding. A partir do Estágio 4, as torres celulares locais perdem frequentemente energia assim que as baterias de reserva se esgotam, deixando os sensores desligados precisamente quando mais precisa deles.
A alternativa LoRaWAN
O LoRa (Long Range) funciona em radiofrequências abaixo do gigahertz (868 MHz na África do Sul). Usa modulação por espalhamento de espetro em chirp, que permite desmodular sinais mesmo quando estão abaixo do nível de ruído. Isto dá ao LoRa duas enormes vantagens na agricultura:
- Alcance extremo: um único gateway montado num ponto alto (um silo ou uma torre de água, por exemplo) consegue receber sem dificuldade sinais de nós até 15 quilómetros de distância, com linha de vista direta.
- Consumo mínimo: como os nós LoRaWAN não precisam de manter uma ligação contínua ao gateway, podem permanecer em sono profundo consumindo menos de 5 microampere (µA). Quando acordam, transmitem os dados em menos de 100 milissegundos e voltam de imediato a dormir.
A aritmética dos intervalos de amostragem
A longevidade de um nó sensor alimentado a bateria é diretamente proporcional à frequência com que transmite dados. Na monitorização agrícola, raramente são necessários dados em tempo real. A humidade do solo não muda significativamente em dez minutos; um reservatório de água não se esvazia em cinco. Ajustando o intervalo de amostragem, é possível estender a autonomia de um nó de meses para anos.
A tabela abaixo ilustra a relação entre a frequência de amostragem, o consumo médio e a autonomia esperada com uma bateria não recarregável de 3,6 V Li-SOCl2 (capacidade de 8500 mAh), em condições de funcionamento típicas:
| Intervalo de amostragem | Transmissões diárias | Autonomia estimada | Mais indicado para |
|---|---|---|---|
| A cada 5 minutos | 288 | 8 a 12 meses | Portões de segurança críticos, linhas de pressão |
| A cada 30 minutos | 48 | 4 a 5 anos | Bebedouros de gado, estações meteorológicas |
| A cada 2 horas | 12 | Mais de 8 anos (limite de autodescarga) | Humidade do solo, furos profundos |
Para nós que exijam amostragem mais frequente ou sensores mais exigentes em energia (como sensores óticos de oxigénio dissolvido ou sensores ultrassónicos de nível de água), um pequeno painel solar de 1 W combinado com uma única bateria LiFePO4 de 3,2 V chega para manter o nó a funcionar indefinidamente, desde que o hardware esteja desenhado para cortar a alimentação ao sensor quando este não está em uso.
A realidade sul-africana: independência da rede e resiliência do gateway
Enquanto os nós sensores funcionam com baterias minúsculas, o coração da rede é o gateway LoRaWAN. O gateway recebe os sinais de rádio de todos os nós e reencaminha-os para a internet. Como tem de estar sempre à escuta, não pode dormir. Um gateway de exterior típico consome entre 3 W e 5 W em permanência.
Na África do Sul, não se pode contar com a rede elétrica para alimentar este gateway, nem com as torres celulares locais para encaminhar os dados durante períodos prolongados de load-shedding. Para construir um sistema resiliente, o gateway tem de ficar instalado junto de uma fonte de energia solar e de uma ligação de backhaul robusta. Um painel solar de 50 W combinado com uma bateria LiFePO4 de 12 V e 18 Ah mantém um gateway de 5 W a funcionar 24 horas por dia, todos os dias, mesmo com três dias consecutivos de céu muito nublado.
Quanto ao backhaul (o envio dos dados do gateway para o seu telemóvel ou computador), se não houver fibra disponível, a opção mais fiável é uma ligação por satélite como o Starlink ou uma ligação sem fios ponto a ponto, altamente direcional e de elevado ganho, até uma localidade próxima com infraestrutura ativa. Como o gateway condensa os dados de centenas de sensores num fluxo minúsculo, até uma ligação por satélite de baixa largura de banda e latência elevada é mais do que suficiente.
Implementar o seu sistema
Conceber estes sistemas exige emparelhar cuidadosamente as interfaces dos sensores (como SDI-12, RS-485 Modbus ou analógica 4-20 mA) com microcontroladores de baixo consumo. Para explorações agrícolas que queiram implementar telemetria robusta fora da rede sem a complexidade de construir hardware de raiz, a nossa equipa da Sheen Farming Solutions fornece gateways LoRaWAN e nós sensores pré-configurados e prontos para energia solar, adaptados às condições sul-africanas.
Ao afastar a sua arquitetura dos protocolos de consumo de banda larga e alto consumo energético e ao adotar um desenho LPWAN disciplinado e de baixo consumo, ganha visibilidade total sobre os seus ativos agrícolas remotos sem depender da Eskom nem dos operadores de telecomunicações comerciais.
