Para o desenvolvimento de uma rede de comunica¸c˜ao em regi˜oes remotas foi definida a utiliza¸c˜ao de um transmissor que permitisse a comunica¸c˜ao em frequˆencias abaixo de 1 GHz (Sub-GHz ) e em bandas n˜ao licenci´aveis, especificamente 433 MHz, mas tamb´em 915 MHz. Para tanto, foram verificadas as tecnologias existentes no mercado, por
exemplo SIGFOX, LORA, NB-IOT, tamb´em conhecidas como redes Low Power Wide
Area (LPWA). Cada uma dessas tecnologias utiliza m´etodos de modula¸c˜ao ou protocolos diferentes com o prop´osito de alcan¸car baixo custo, consumo, banda estreita e longas distˆancias ou grande ´area de cobertura em comunica¸c˜oes voltadas para a Internet das Coisas (IOT).
3.3.1 SIGFOX
SIGFOX ´e uma rede LPWA projetada para empresas que queiram tornar-se
operadores de telecomunica¸c˜ao ou para operadoras que queiram agregar esta tecnologia a sua rede atendendo a nova demanda de IOT (SCHATZ, 2016). SIGFOX utiliza uma banda ultra estreita com uma modula¸c˜ao propriet´aria BPSK a 100bps. As frequˆencias utilizadas pela rede s˜ao n˜ao licenci´aveis. Sendo que esta tecnologia permite o envio m´aximo de 12 bytes de payload e 6 mensagens em uma hora. Sendo dessa maneira direcionada a aplica¸c˜oes que requeiram baixa taxa de dados (VEJLGAARD et al., 2017).
3.3.2 LORA
LORA ´e uma rede baseada em uma t´ecnica propriet´aria de modula¸c˜ao em espa- lhamento espectral. Esta t´ecnica foi desenvolvida pela LoRa Alliance, sendo a Microship e a Semtech algumas das empresas que produzem transmissores compat´ıveis com esta tecnologia. Estes transmissores podem operar em frequˆencias licenciadas ou n˜ao, entre 137 MHz e 1020 MHz, com link budget de 170 dB (SEMTECH, 2018). Por´em, conforme an´alise realizada por BOR et al., as redes constru´ıdas utilizando configura¸c˜oes padr˜oes baseadas na LoRaWAN n˜ao teriam escalabilidade, pois poderiam receber apenas 120 nodes e cobririam uma ´area de apenas 3,8 ha. Tamb´em os protocolos padr˜oes das redes LORA n˜ao permitem a cria¸c˜ao de uma rede descentralizada e P2P (BHARDWAJ; TOMAR, 2017). Sendo assim, esta tecnologia ´e voltada a organiza¸c˜oes que queiram criar a sua rede pr´opria utilizando LORA Gateways.
3.3.3 NB-IOT
NB-IOT ´e uma tecnologia desenvolvida para operadoras de telecomunica¸c˜oes, pois esta t´ecnica ´e uma evolu¸c˜ao de sistemas LTE operando em uma banda de 180 kHz e subportadora de 15 kHz (VEJLGAARD et al., 2017). NB-IOT pode ser implantado dentro de uma portadora LTE, na banda de guarda ou sozinha. Conforme estudos realizados esta
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tecnologia entrega a melhor cobertura e performance em rela¸c˜ao as demais redes LPWA (LAURIDSEN et al., 2017). Tamb´em como esta rede utiliza frequˆencias licenci´aveis, sofrer´a menos com interferˆencias em rela¸c˜ao as redes LORA e SIGFOX. Por´em, assim como as redes SIGFOX, a implanta¸c˜ao do NB-IOT depende do interesse de operadoras em atender este mercado. Dessa maneira, estas tecnologias possivelmente possam demorar a serem implementadas em regi˜oes remotas.
3.3.4 ESCOLHA DO R ´ADIO-TRANSMISSOR
Ap´os analisar as novas redes LPWA e pesquisar os transmissores desenvolvidos para estas tecnologias, pode se verificar que muitos desses transmissores podem ser utilizados sem estes protocolos propriet´arios ou em conjunto com outras modula¸c˜oes ou protocolos. Assim permitindo mais liberdade ao desenvolvedor para projetar a sua aplica¸c˜ao. Tamb´em analisando datasheets e testes de compara¸c˜ao realizados com diferentes transmissores Sub-1GHz, verifica-se a dificuldade na obten¸c˜ao de dados que ajudem na escolha do melhor Circuito Integrado (CI), pois nenhuma das fontes oferece informa¸c˜oes pertinentes a aplica¸c˜oes especificas com resultados obtidos nas melhores configura¸c˜oes para cada transmissor (H¨aRING et al., 2017).
Considerando-se os pr´os e contras de cada uma das tecnologias acima e as ca- racter´ısticas a serem atendidas pelo projeto, o hardware adotado foi o CC1310 da Texas Instruments (TI).
3.3.5 MICROCONTROLADOR COM R ´ADIO INTEGRADO CC1310
Figura 6 – Diagrama simplificado de blocos funcionais do CI CC1310. Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS, 2016).
Cap´ıtulo 3. DESENVOLVIMENTO DO HARDWARE 16 Quadro 1 – Caracter´ıstica do CI CC1310. Tens˜ao de Alimenta¸c˜ao 1.8 to 3.8 V Encapsulamento 7x7mm RGZ VQFN48 (30 GPIOs) 5x5mm RHB VQFN32 (15 GPIOs) 4x4mm RSM VQFN32 (10 GPIOs) CPU
Processador ARM Cortex - M3 Velocidade de Clock m´axima de 48-MHz
32KB, 64KB, e 128KB de Flash 8KB de SRAM
20KB de ULL SRAM Suporta Atualiza¸c˜ao OTA
ULP Sensor Controller 2KB SRAM 16 bits
Consumo
RX: 5.4mA - TX em +10dBm: 13.4mA
Sensor Controller 24MHz: 0.4mA+8,2µA/MHz
Standby: 0,7µA
Modo Ativo MCU 48 MHz: 2.5mA
RF
Sensibilidade -124 dBm
Sa´ıda de Potˆencia Program´avel de at´e +15 dBm Single-Ended ou Differential RF Interface
Wireless M-Bus e IEEE 802.15.4g PHY
Bandas de Frequˆencia 315, 433, 470, 500, 779, 868, 915 e 920 MHz
Fonte: (TEXAS INSTRUMENTS, 2016)
Este transmissor utiliza um r´adio propriet´ario Sub-1GHz desenvolvido pela TI, que tamb´em ´e compat´ıvel para utiliza¸c˜ao em redes SIGFOX. Em sua arquitetura o CI tem um microcontrolador com uma CPU ARM CORTEX M3, sendo que o controle do r´adio ´e feito por um ARM CORTEX M0. Tamb´em em sua concep¸c˜ao h´a um controlador de sensores voltado para aplica¸c˜oes de baixo consumo. Assim, o CORTEX M3 pode ser desativado temporariamente reduzindo o consumo do CI.
Outra particularidade deste microcontrolador ´e que seus pinos podem ser mapeados para qualquer um dos perif´ericos, como UART, SPI, I2C e GPIO. Esta configura¸c˜ao ou altera¸c˜ao ´e feita atrav´es do firmware, facilitando e flexibilizando o design do prot´otipo (TEXAS INSTRUMENTS, 2016). Se comparado a outros transmissores, este CI diminui muito o footprint1 e consumo, pois n˜ao necessita de um microcontrolador externo para gerenciar a aplica¸c˜ao.
Como o CC1310 tem uma potˆencia m´axima de transmiss˜ao de apenas 25 mW foi inclu´ıdo no projeto de RF o CI SKY66115-11. Este CI ´e um amplificador de potˆencia desenvolvido pela SKYWORKS. Como principais caracter´ısticas este amplificador opera na banda de 400–510 MHz e tem uma potˆencia m´axima de 100 mW (SKYWORKS, 2017). Dessa forma para integra¸c˜ao dos dois CIs foi utilizado como base o design disponibilizado por ambas empresas (ZHANG; WALLACE, 2017).
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Figura 7 – Esquem´atico do microcontrolador CC1310 Fonte: autoria pr´opria.
3.4 M ´ODULO GPS
A fim de ocupar a m´ınima ´area poss´ıvel de impress˜ao e um baixo consumo, o m´odulo GPS escolhido foi o CAM-M8 da u-blox. Al´em dessas caracter´ısticas, o m´odulo possui antena integrada, facilitando o projeto da PCI. Outros m´odulos pesquisados e com caracter´ısticas similares como o A2235-H da Maestro Wireless Solutions e o ORG1410 da OriginGPS foram considerados. Por´em o pre¸co e a dificuldade de compra dos distribuidores foram impeditivos. A u-blox disponibiliza um manual de integra¸c˜ao do hardware para facilitar o design da placa e garantir a melhor performance do GPS. O quadro 2 apresenta os dados do m´odulo e a figura 9 apresenta o esquem´atico do circuito.