Monitoramento remoto com sensores sem fio Empregando Wi-Fi

As fábricas modernas têm sistemas digitais cada vez mais complexos, com interconexões entre dispositivos e software de muitos fornecedores diferentes. Esta complexidade levou a um afastamento das interfaces proprietárias, substituindo-as por padrões comuns, como Ethernet e Wi-Fi®. A padronização das comunicações digitais pode ser vista como parte da quarta revolução industrial (Indústria 4.0) na qual as tecnologias da Internet das Coisas (IoT) simplificam muito a conexão de diferentes dispositivos (Figura 1). Este artigo analisa as formas mais comuns de redes de sensores baseados em Wi-Fi e suas aplicações típicas.

Figura 1: O sensoriamento sem fio é cada vez mais comum em ambientes industriais.

Histórico e versões Wi-Fi

Wi-Fi é um protocolo de rede sem fio baseado no IEEE 802.11, mas foi ainda mais padronizado para garantir a interoperabilidade dos dispositivos. O padrão Wi-Fi é mantido pela Wi-Fi® Alliance e somente os produtos que foram certificados para atender a este padrão podem levar a marca registrada.

A norma 802.11 está bem estabelecida para aplicações de redes locais sem fio (LAN). Foi lançado pelo Institute of Electrical and Electronics Engineers' (IEEE) em 1997, como 802.11-1997. Os lançamentos principais subseqüentes incluíram, em ordem cronológica, 802.11b, 802.11a, 802.11g, 802.11n, e 802.11ac. Embora o IEEE 802.11 forneça a base técnica para Wi-Fi, o IEEE não possuía nenhuma certificação ou teste, o que levou a problemas de interoperabilidade nos primeiros dispositivos.

Em 1999, a Aliança Wi-Fi foi formada por algumas das primeiras empresas a adotar o IEEE 802.11. O objetivo desta aliança era melhorar a interoperabilidade entre os dispositivos que as empresas membros estavam produzindo. As empresas fundadoras incluíam a 3Com e a Nokia. As gerações Wi-Fi correspondem às principais versões da norma IEEE 802.11, como mostrado na Tabela 1.

Tabela 1: Padrões Wi-Fi ao longo dos anos.

Alcance, velocidade e freqüência

O Wi-Fi pode operar em diferentes freqüências e os dispositivos podem muitas vezes ser configurados para usar diferentes freqüências. As freqüências mais comuns são 2,4 GHz e 5 GHz.

Em geral, freqüências mais altas proporcionam maiores velocidades de transferência de dados. Entretanto, as freqüências mais altas também são mais facilmente dissipadas, especialmente quando se passa por objetos sólidos. Frequências mais baixas, portanto, geralmente fornecem maior alcance.

Ao operar na mesma faixa de freqüência que outros dispositivos, o Wi-Fi também é mais suscetível a interferências. Por exemplo, a 2,4 GHz, a interferência Wi-Fi pode ocorrer com fornos de microondas, telefones sem fio e dispositivos Bluetooth. Isto pode significar que em certos ambientes, 5 GHz podem realmente dar um alcance melhor do que 2,4 GHz. Se forem encontrados problemas em uma freqüência específica, muitas vezes pode ser mais fácil simplesmente tentar um canal ou até mesmo uma banda diferente.

As faixas de freqüência são faixas dentro das quais são definidos canais específicos. Por exemplo, o 2,4 GHz está dividido em 14 canais. O canal 1 é de 2401 a 2423 MHz, o canal 2 é de 2406 a 2428 MHz, etc. Há consideravelmente mais canais disponíveis na faixa de 5 GHz.

O IEEE 802.11ah, conhecido como Wi-Fi HaLow ou de faixa estendida, opera na faixa de freqüência mais baixa em torno de 900 MHz, combinado com canais de RF estreitos de 1 MHz. Estes canais estreitos e de baixa freqüência, combinados com mudanças de protocolo significam um consumo de energia muito menor, até mesmo inferior ao de Bluetooth Low Energy. O alcance deve ser cerca do dobro do de 2,4 GHz - mais de 40 metros a 150 kbps para um único fluxo ou mais de 80 metros usando um chip mais complexo de fluxo duplo. Embora o IEEE já tenha lançado a norma 802.11ah, a Aliança Wi-Fi ainda não começou a certificar os dispositivos.

No outro extremo do espectro, o IEEE 802.11ad, ou WiGig, opera em uma banda de freqüência mais alta em torno de 60 GHz para permitir altas taxas de transferência de dados normalmente em torno de 7 Gbit/seg.

Topologia da rede Wi-Fi

A topologia de uma rede é a estrutura básica das conexões entre dispositivos (Figura 2). Por exemplo, em uma topologia estelar, um dispositivo é um hub e todos os outros dispositivos se conectam ao hub. Em uma topologia totalmente conectada, cada dispositivo é conectado a todos os outros dispositivos. Uma topologia de malha é semelhante a uma malha totalmente conectada na medida em que as conexões são descentralizadas, mas pode não haver conexões entre todos os pares de dispositivos, também pode ser referida como uma malha parcialmente conectada. Em uma topologia de ônibus todo dispositivo é conectado a um cabo, conhecido como o ônibus.

Figura 2: As topologias de rede são abundantes, mas a maioria das redes Wi-Fi são estreladas ou em malha. (Fonte de imagem: Design World)

As redes Wi-Fi são tipicamente em estrela ou em malha. As topologias de malha são robustas e seguras, reduz o consumo de energia e melhora o alcance, uma vez que os elos individuais podem ser mais curtos. Para grandes redes de IOT com muitos sensores de baixa potência, estas são vantagens importantes. Entretanto, as redes estelares também podem oferecer vantagens a este respeito. Em uma rede inicial, é possível que dispositivos individuais transmitam intermitentemente e somente o hub requer energia contínua para o sinal Wi-Fi.

Implementações de Wi-Fi especializadas para a indústria

Como mencionado acima, o Wi-Fi HaLow utiliza uma freqüência menor para alcançar maior alcance e menor consumo de energia. Isto pode ser útil para pequenos dispositivos operados por bateria. Para aplicações de controle e automação industrial, onde a comunicação em tempo real é necessária, o Wi-Fi tem lutado para fornecer uma conexão suficientemente rápida, de baixa latência e estável. Embora tenha havido interesse em Wi-Fi em tempo real por pelo menos uma década, esta tecnologia não tem sido amplamente adotada. Talvez a implementação mais bem sucedida de Wi-Fi em tempo real seja a WIA-PA, um padrão de comunicação industrial sem fio chinês para automação de processos.

O uso industrial de Wi-Fi é mais típico em aplicações menos exigentes, como sensores de movimento e leitores de código de barras. O monitoramento da condição das máquinas está se tornando muito comum. Para máquinas rotativas, os acelerômetros são usados para monitorar as vibrações. O monitoramento ambiental também é um aspecto importante do monitoramento das condições, com pequenos sensores de temperatura, pressão, umidade e concentração de gás frequentemente implantados.

Os sensores de monitoramento da condição são implantados em muitos ambientes diferentes. Estes incluem as óbvias máquinas de fábrica e de depósito, assim como veículos comerciais de alto valor, incluindo caminhões, equipamentos de terraplanagem e aeronaves. O monitoramento da condição também é muito bem estabelecido e crítico dentro das operações de geração de energia, mineração e perfuração.

O monitoramento do tráfego, níveis de poluição e clima são mais alguns exemplos de aplicações onde sensores sem fio são implantados.

Tecnologias concorrentes

O Wi-Fi não é o único padrão que permite a comunicação sem fio entre dispositivos industriais. Para aplicações de curto alcance e baixa potência, Wi-Fi concorre com Bluetooth e Zigbee. Para aplicações de longo alcance. As principais tecnologias que competem contra Wi-Fi são as tecnologias celulares - 3G, 4G, e 5G.

Considere apenas um exemplo de uma unidade microcontroladora de baixa potência (MCU) para ajudar os engenheiros a configurar as comunicações via Bluetooth Low Energy (BLE), bem como Wi-Fi via um módulo XBee Wi-Fi:

O Bluetooth é uma forma bem estabelecida de comunicação de baixa potência. Zigbee é uma tecnologia mais nova baseada no IEEE 802.15.4, que se destina a utilizar hardware e energia ainda mais baratos do que até mesmo Bluetooth. Embora o Wi-Fi HaLow tenha como objetivo competir nesta área, ele não atinge o custo ultra-baixo e a potência do Zigbee. Complicando ainda mais as coisas, a 5G tem sua própria tecnologia de baixa potência - Low-Power Wide-Area (LPWA).

Complementando muitas dessas ofertas de baixa potência, estão as capacidades de colheita de energia:

Conclusão

Muitos fabricantes de dispositivos industriais ainda utilizam tecnologias sem fio industriais proprietárias. Embora isto torne a interoperabilidade mais difícil, significa que eles podem proporcionar maior segurança e comunicações em tempo real. Como o Wi-Fi continua a melhorar nestas áreas, os engenheiros podem esperar ver mais dispositivos adotando este padrão aberto. Por outro lado, a 5G está mostrando um grande potencial para aplicações IIoT sem fio. Os próximos anos trarão mais concorrência entre as últimas normas Wi-Fi 6 e 5G.