Os desafios da coleta de dados em dispositivos IoT para Big Data/Analytics

por Eduardo Fagundes20/03/2019

Quem trabalha com Big Data/Analytics sabe que um dos maiores desafios é a coleta de dados. Sabemos que os sistemas legados, desenvolvidos anos atrás, não contem todas os dados que necessitamos para as análises, seja porque o histórico de dados foi deletado por economia de custo de armazenamento ou porque os sistemas foram desenvolvidos para resolver apenas questões operacionais. Felizmente, os novos sistemas já abordam dados necessários para análises mais completas e dados para sistemas de aprendizado de máquina – Machine Learning. Para coleta de dados de sensores remotos em tempo real a Internet of Things (IoT) é a tecnologia que se apresenta mais viável atualmente. Entretanto, temos dois grandes desafios: a escolha da tecnologia de comunicação e os custos dos serviços, incluindo os impostos.

A expectativa é que tenhamos 125 milhões de dispositivos conectados até 2030. Imagine receber dados deste universo de sensores remotos! A questão hoje é qual das tecnologias de comunicação disponíveis é mais eficiente e de baixo custo para capturar estes dados.

Tecnologias

Entre muitas tecnologias de comunicação disponíveis, temos quatro que se destacam, baseadas em LPWAN: LTE-M (LTE -MTC [Machine Type Communication]), NB-IoT (Narrowband IoT), LoRa e o Sigfox. Redes de baixa potência para grandes áreas (LPWAN – low-power wide-area network) é um tipo de comunicação sem fios rede de área ampla concebido para permitir a comunicação de longo alcance a uma baixa taxa de bits entre coisas (objetos conectados), como sensores usando IoT. A taxa de dados da LPWAN varia de 0,3 kbps a ​​50 kbps por canal.

Os principais atributos da tecnologia LPWAN são:

• Longo alcance: A faixa de operação da tecnologia LPWAN varia de alguns quilômetros em áreas urbanas a mais de 10 km em áreas rurais. Ele também pode permitir a comunicação efetiva de dados em locais internos e subterrâneos anteriormente inviáveis.
• Baixa potência: Otimizado para consumo de energia, os transceptores LPWAN podem funcionar com baterias pequenas e baratas por até 20 anos
• Baixo custo: os protocolos simplificados e leves da LPWAN reduzem a complexidade no projeto de hardware e reduzem os custos com dispositivos. Seu longo alcance, combinado com uma topologia em estrela, reduz os dispendiosos requisitos de infraestrutura, e o uso de bandas licenciadas ou não licenciadas reduz os custos de rede.

As tecnologias LTE-M e NB-IoT foram desenvolvidas pela 3GPP (3rd Generation Partnership Project), uma organização de tecnológica na área de telecomunicações que visa padronizar a criação, envio e reprodução de arquivos multimídia (vídeos) em telefones celulares e outros aparelhos wireless.

1.    LTE-M

O LTE-M (LTE -MTC [Machine Type Communication]), que inclui o eMTC (Enhanced Machine Type Communication), permite conexão com uma ampla gama de dispositivos celulares. e serviços (especificamente, para aplicativos máquina-para-máquina e IoT), ainda leva vantagem sobre o NB-IoT de ter taxa de dados comparativamente mais alta, mobilidade e voz na rede, mas requer mais largura de banda.

Caraterísticas do LTE-M:

• Barato: os dispositivos podem se conectar a redes 4G com chips de menor custo, porque são half-duplex e têm uma largura de banda mais estreita;
• Longa vida útil da bateria: os dispositivos podem entrar em um modo de “sono profundo” chamado Modo de Economia de Energia (PSM) ou acordar apenas periodicamente enquanto estiverem conectados. Esse modo é chamado de recepção descontínua estendida (eDRX);
• Menor custo de serviços: como a taxa máxima de dados dos dispositivos LTE-M é de apenas 100 kbps, eles não cobram muito da rede 4G. As operadoras podem oferecer planos de serviços mais próximos do antigo preço 2G M2M do que os preços 4G.

Aplicações do LTE-M

• Sensores de baixa densidade: para empresas ou OEMs que usam sensores como parte de seus negócios (Cold Chain Monitoring), elimina problemas de conexão via Wi-Fi ou através de gateway. A ideia é instalar os dispositivos com baterias de longa duração e evitar manutenções periódicas;
• Leitura automatizada do medidor: com chips mais baratos é possível mais medidores e ampliar a monitoração, controle e análises de dados;
• Rastreamento de ativos: as soluções de rastreamento de ativos híbridos que usam conexão de curto alcance, como Bluetooth, usando um backhaul via LTE-M é uma ótima solução técnica e econômica.

2.    NB-IoT

Como um padrão celular, o objetivo do NB-IoT é padronizar os dispositivos de IoT para serem interoperáveis ​​e mais confiáveis.

Como o NB-IoT é uma tecnologia sem fio de nível celular que usa modulação OFDM, os chips são mais complexos, mas o custo dos links é menor. Isso significa que os usuários obtêm um alto nível de desempenho associado às conexões de celular, mas ao custo de mais complexidade e maior consumo de energia.

O NB-IoT deve ser usado para enviar e receber pequenas quantidades de dados – algumas dezenas ou centenas de bytes por dia gerados por dispositivos de IoT de baixa produção de dados. Ele é baseado em mensagens, semelhante ao Sigfox e ao LoRa, mas com uma taxa de modulação muito mais rápida que pode manipular muito mais dados do que essas tecnologias. O NB-IoT não é um protocolo de comunicação baseado em IP e não pode ser utilizado em aplicações como de um smartphone comum. Ele foi desenvolvido para aplicativos IoT simples com baixo consumo de energia.

A especificação 3GPP para NB-IoT tem duas variantes concorrentes: Huawei/Vodafone versus Ericsson/Nokia/Intel. O NB-IoT deve operar dentro de um espectro de frequência licenciado.

Vantagens do NB-IoT:

• Boa cobertura. Os dispositivos NB-IoT dependem da cobertura 4G, para que funcionem bem em ambientes internos e em áreas urbanas densas;
• Rápidos tempos de resposta: são mais rápidos do que o LoRa e pode garantir uma melhor qualidade de serviço.

Desvantagens do NB-IoT

• É difícil implementar transferências via firmware via over-the-air (FOTA) ou arquivos. Algumas das especificações de projeto para o NB-IoT fazem com que seja difícil enviar grandes quantidades de dados para um dispositivo;
• Os handoffs de rede e torre pode ser um problema, sendo, portanto, mais adequado para ativos basicamente estáticos, como medidores e sensores em um local fixo, em vez de ativos de roaming.

3.    LoRa

LoRa ( Lo ng Ra nge) é protocolo de comunicação sem fio de longo alcance patenteada pela Cycleo de Grenoble, França, e adquirida pela Semtech em 2012. O LoRa usa bandas de radiofrequência sub giga-hertz não licenciando na Europa e Estados Unidos. O LoRa permite transmissões de longo alcance (mais de 10 km em áreas rurais) com baixo consumo de energia. A tecnologia é apresentada em duas partes: LoRa, a camada física e LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), as camadas superiores.

O LoRa é um sistema de modulação proprietário vendido pela empresa Semtech, única fabricante de chipset e titular de licença para LoRa.

Vantagens do LoRa:

• Adequado para aplicações de propósito específico;
• Funcionalidades para configurar e gerenciar sua própria rede;
• O LoRa é uma boa opção para aplicações de bidirecionais, por exemplo, funcionalidade de comando e controle, usando links simétricos;
• Os dispositivos LoRa funcionam bem quando estão em movimento, o que os torna úteis para rastrear ativos em movimento, como remessas de encomendas;
• Os dispositivos LoRa têm uma duração de bateria mais longa que os dispositivos NB-IoT.

Desvantagens do LoRa:

• Tem taxas de dados mais baixas do que o NB-IoT;
• Tem um tempo de latência maior que o NB-IoT.

4.    Sigfox

A tecnologia proprietária da Sigfox emprega o chaveamento binário diferencial de fase (DBPSK) e o chaveamento gaussiano de frequência (GFSK) que permite a comunicação usando a banda de rádio Industrial, Científica e Médica ISM que usa 868MHz na Europa e 902MHz nos EUA. Ele utiliza um sinal de longo alcance que passa livremente através de objetos sólidos, chamado de ” Ultra Narrowband ” e requer pouca energia. O padrão existente para comunicações Sigfox suporta até 140 mensagens de ligação ascendente por dia, cada uma das quais pode transportar uma carga útil de 12 octetos a uma taxa de dados de até 100 bytes por segundo.

A tecnologia é de propriedade da Sigfox, uma operadora de rede global francesa fundada em 2009 que constrói redes sem fio para conectar objetos de baixa potência, como medidores de eletricidade e smartwatches, que precisam estar continuamente ligados e emitindo pequenas quantidades de dados. A Sigfox tem parceria com várias empresas do setor de LPWAN, como Texas Instruments, Silicon Labs e ON Semiconductor.

Vantagens do Sigfox:

• Consome uma baixa quantidade de energia;
• Funciona bem em dispositivos simples que transmitem com baixa frequência, porque envia quantidades muito pequenas de dados;
• Suporta uma ampla área de cobertura nas áreas em que está localizada.

Desvantagens do Sigfox:

• A operadora Sigfox e seus parceiros, como a WND no Brasil, não estão presentes em muitas localidades;
• Melhor comunicação do ponto final para a estação base. O Sigfox é bidirecional, entretanto, podem existir restrições de envio de dados para os dispositivos remotos;

Implementações no Brasil

Todas as tecnologias e fornecedores internacionais estão presentes ou representados no Brasil. A WND Brasil, operadora do Sigfox, afirma que já possui uma cobertura de serviço para 106 milhões de pessoas no início de 2019 e prevê uma cobertura para mais de 150 milhões de pessoas até no fina de 2019.

Em março de 2019, o BNDES elegeu três municípios – Santa Rita do Sapucaí (MG), Caxambu (MG) e Piraí (RJ) – para serem testes de dispositivos de IoT para aplicações de cidades inteligentes. O BNDES habilitou a Inatel para a execução do projeto piloto que será conduzido em parceria com a Prefeitura Municipal de Santa Rita do Sapucaí (MG), com as empresas Ericsson e Tim, e com as startups Pixel, Das Coisas, Fractum e Laager Inovações.

A rede 4G, ativada comercialmente pela TIM em Santa Rita do Sapucaí, desde o ano de 2019, é a primeira no Brasil habilitada com a funcionalidade NB-IoT.

A Vivo Empresas, área do segmento B2B da Telefônica Brasil, anunciou em março de 2019 o lançamento das redes NB-IoT e LTE-M, oferecendo opções de conexões para os clientes.

Com isto o padrão da variante do NB-IoT formado pela Ericsson/Nokia/Intel leva vantagem no Brasil e pode ser tornar um padrão de fato.

A America Tower, uma empresa global, afirmou, em fevereiro de 2019, que o Brasil é peça-chave da estratégia da empresa para seus serviços, que inclui redes baseadas em LoRa.

Custos dos serviços e impostos

Além das discussões técnicas sobre as tecnologias disponíveis, uma componente importante é o custo dos serviços. Cada operadora de serviços estabelece seus preços, normalmente, baseados em tráfego de dados e unidades conectadas, valendo reduções nos preços para grandes volumes.

A avaliação que se deve fazer é o valor do dado coletado do ponto de vista do negócio. Só faz sentindo o investimento e despesas com os serviços se o valor do serviço for muito menor que o valor do dado para o negócio.

Aqui entra outra questão: qual é o valor do dado coletado? Cada empresa tem que estabelecer critérios para avaliar os resultados esperados pelo projeto.

Outra questão está discussão é o pagamento de impostos dos serviços para a conexão de dispositivos remotos usando tecnologia IoT. A regra hoje é que além do ICMS deve também incidir o FISTEL, a taxa de fiscalização dos serviços de telecomunicações.

Conclusão

A boa notícia é que as principais tecnologias de comunicação de dados para dispositivos de IoT estão presentes no Brasil e competindo para oferecer melhores serviços para os clientes. Cada tecnologia tem suas vantagens e desvantagens técnicas que terão analisadas juntamente com os níveis de serviços e preços oferecidos pelos fornecedores.

A coleta de dados dever ser ajustada as necessidades do negócio, considerando que os custos dos serviços de coleta devem compensar o investimento e despesas mensais das aplicações de negócios.

Coletar todos os dados disponíveis pode ser uma solução viável para sistemas internos e fechados, porém, quando houver necessidade de coleta de dados de sistemas externos, a relação custo/benefício deve ser muito bem estudada.

A melhor estratégia é buscar independência das operadoras de serviços de comunicações. Entretanto, no caso de IoT é necessário implementar a tecnologia selecionada nos dispositivos remotos deixando pouca flexibilidade para substituição de tecnologia, principalmente, depois de implantações de larga escala.

A exemplo das tecnologias dos celulares que acabaram se consolidando, deve acontecer o mesmo no futuro com as tecnologias para IoT. Ainda está na memória a rivalidade entre o padrão adotado pela Vivo/Telefônica, o CDMA, e o padrão das outras operadoras, o GSM. A Vivo/Telefônica teve que fazer um enorme esforço para a conversão da rede para o padrão que se consolidou, o GSM.

Apostar na melhor tecnologia não garante a continuidade dos serviços. A decisão deve ser baseada seguindo os grandes grupos econômicos internacionais.

A chegada da tecnologia 5G deve impactar as tecnologias para IoT. Como tudo, devemos acompanhar as tendências das novas tecnologias e criar alternativas de migração, se necessário, e formar de aumentar o desempenho e reduzir custos.

Fonte: https://efagundes.com/blog/os-desafios-da-coleta-de-dados-em-dispositivos-iot-para-big-data-analytics/