Aplicações da Tecnologia Sigfox – Rastreamento e Localização

Ao baixar significativamente tanto os preços de conexão e de dispositivos quanto o consumo de energia, a tecnologia Sigfox possibilita enormes melhorias em muitos serviços anteriormente prestados com auxílio de tecnologias celulares ou peer to peer.

 

Neste artigo vamos avaliar os efeitos do uso de Sigfox em uma aplicação tradicionalmente importante para tecnologias de rádio comunicação – o rastreamento e a localização de objetos.

 

 

Rastreamento x Localização

 

Antes de mais nada há que se diferenciar os dois serviços relacionados, o de rastreamento e localização.

  • Localização é se determinar, com uma dada precisão, a posição geográfica (mais modernamente mesmo no interior de estruturas) de um objeto. No nosso contexto se realiza a localização de um objeto e por meio de uma rede de comunicação se informa esta localização a alguém ou a algum serviço.
  • Rastreamento é se determinar várias localizações, sequencialmente no tempo e novamente pela rede de comunicação informar estas localizações a alguém ou algum serviço.

 

Ambos serviços demandam:

  • Um método de localização automático;
  • Um canal de comunicação.

 

Com o advento de comunicação sem fio e do GPS, ambos os serviços se tornaram possíveis e relativamente fáceis de se implementar.

 

Inicialmente tanto os custos da localização em si quanto o das comunicações eram altos o suficiente para se limitar o uso desses serviços a poucas aplicações, como por exemplo militares.  Estes custos, no entanto, foram caindo com o tempo e com essa queda a adoção desses serviços foi aumentando.

 

Se considerarmos os custos baixíssimos tanto da comunicação proporcionada pela tecnologia Sigfox quanto de outras novas tecnologias de localização, há claramente um enorme potencial para uma nova onda de dispositivos de localização/rastreamento como veremos a seguir.

 

 

Tecnologias de Localização

 

Existem diversas tecnologias de localização possíveis, e todas elas têm vantagens e desvantagens, criando compromissos entre custo, precisão e consumo de energia, como se pode ver na tabela (não exaustiva) a seguir:

 

#

Tecnologia

Consumo de Energia (dispositivo)

Custo Adicional

Precisão

1

Nível de sinal

Nulo

Nulo

Muito Baixa

2

Nível de Sinal + Mapas de Predição + Aprendizado

Nulo

Nulo / Muito Baixo: mapas de predição de Propagação

Baixa

3

Angle Of Arrival

Nulo

Necessita Setorização das Radio bases

Baixa / Média

4

Time Of Arrival

Médio (Time Stamp, Sincronização, Modulação adequada)

Sincronização das Rádio  bases, Processamento

Média

5

GPS

Alto

Nulo

Alta (Outdoor)

6

WiFi

Médio (WiFi scanning)

Nulo

Média/Alta (Indoor/Outdoor)

 

Nessa tabela vemos algumas das opções disponíveis para localização usando quer apenas recursos da rede (tecnologias de 1 a 4) ou com assistência do dispositivo (5 e 6).

 

Pelas suas características de projeto a rede Sigfox permite o uso das tecnologias 1, 2, 5 e 6 e desta forma vamos focar nelas.

 

 

Nível de Sinal + Mapas de Predição + Aprendizado

 

A tecnologia de número 2 é um serviço básico da rede Sigfox, disponível para qualquer dispositivo na rede, e é chamado Sigfox Geolocation Service. Neste serviço o Backend Sigfox usa as seguintes informações:

  1. Níveis de sinal (RSSI – Received Signal Strength Indicator) com que as estações Sigfox (uma ou mais) receberam a mensagem do dispositivo;
  2. Mapas de predição de nível de sinal disponíveis no Backend Sigfox.

 

Graficamente:

 

Sigfox Geolocation Service
Figura 1 - Sigfox Geolocation Service

 

Inicialmente os níveis de sinais são recebidos pela rede como na Figura 1 e servem de entrada em um modelo probabilístico.

 

Este modelo,  com base  nos mapas de predição de níveis de sinal de cobertura de cada estação Sigfox e das características de cada dispositivo cadastrado, leva à geração de um mapa de probabilidades de posição do dispositivo, como o da Figura 2. Com este mapa a rede pode fornecer uma posição estimada com um ponto central e um raio de confiança.

 

Mapa de probabilidades de posição do dispositivo
Figura 2 - Mapa de probabilidades de posição do dispositivo

 

A precisão desta predição depende do número de estações que receberam o sinal, do raio de cobertura de cada estação e aumenta com o crescimento da rede. Há uma variável difícil de controlar que é a atenuação do sinal do dispositivo, que depende de ele estar indoor ou não etc.

 

Este método de localização permite precisões que vão de 1Km a um bairro, que pode ser suficiente para algumas aplicações onde por exemplo bens se deslocam entre cidades, portos ou aeroportos. Sua principal vantagem é o preço muito baixo, apenas alguns centavos de dólar por ano.

 

 

GPS + Sigfox

 

Esta combinação de tecnologias cria produtos com a mesma precisão dos rastreadores hoje disponíveis que usam tecnologia celular para enviar as informações de posição obtidas por um GPS local no dispositivo.

 

A grande vantagem desta solução é o preço da conectividade Sigfox. Uma “assinatura” Sigfox custa apenas uma fração de uma conexão GPRS e desta forma utilizá-la para enviar as informações torna o sistema como um todo mais econômico. De fato, a conexão Sigfox mais cara disponível (140 mensagens/dia) custa por volta de R$30 POR ANO, o que torna o sistema muito barato de se operar.

 

Fica a questão, o que se pode fazer com uma conexão Sigfox? Como ela se compara com uma conexão GPRS, é possível conviver e rastrear objetos com 140 mensagens de 12 Bytes/dia?

 

Para responder a esta pergunta, vamos antes de mais nada definir e calcular alguns parâmetros. Quantos bytes serão precisos para fornecer latitude e longitude com esta precisão? 

 

Vejamos:

  • O raio da terra é de 6371Km, o que nos dá uma circunferência de 2*Pi*6371= 40030Km;
  • Os sistemas GPS de uso civil podem fornecer localização com precisão de 4 m;
  • Ou seja, a maior precisão possível do GPS é de aproximadamente de 4m/40.030Km=10-7;
  • Com números que vão de 0 a 107 podemos representar esta precisão. Para representar este número precisamos de log2(107)+1=24.2 bits, ou seja, por volta de 3 bytes;
  • Para enviarmos a posição na superfície da terra precisamos de 6 bytes apenas, ou seja, sobram ainda outros 6Bytes em uma mensagem Sigfox!

 

Vejam ainda que 6 bytes para a maioria das aplicações é um exagero, já que não precisamos enviar toda vez as coordenadas completas. Se, por exemplo, considerarmos um carro a 120Km/h em 10 minutos ele vai se deslocar no máximo 20Km, ou seja 20.000/4=5.000 unidades da nossa métrica, um número que vai demandar 2* (log2(5.000)+1)= 26 bits, que são 3.25 Bytes apenas! Arredondado para 3 Bytes temos 12 bits para latitude e 12 bits para longitude,  e se fizermos mais um pouco de contas veremos que podemos rastrear veículos com velocidade até 143Km/h e saber sua posição a cada 3.4 minutos.

 

Há mais compressões possíveis se lembrarmos que quando mandamos a mensagem à rede Sigfox, ela nos dá a coordenada da rádio base que a recebeu, e desta forma podemos eliminar mais alguns bits tanto da longitude quanto da longitude.

 

Ou seja, é perfeitamente possível se substituir a conexão GPRS por uma conexão Sigfox e de fato já existem muitos produtos com esta função:

 

Rastreador Suntech ST730
Figura 3 -  Rastreador Suntech ST730 Fonte: https://partner.sigfox.com/products/st730
Rastreador Oyster
Figura 4 - Rastreador Oyster Fonte: https://partner.sigfox.com/products/oyster-sigfox-rcz2

 

 

Neste caso temos também alguma economia de bateria, criada apenas pela melhor eficiência energética da conexão Sigfox comparada a GPRS ou outra tecnologia celular. O consumo do GPS e seu preço continuarão impondo limites ao custo total e operação do dispositivo. Note que um GPS típico pode gastar até 40s para adquirir os satélites com consumo de 47mA e gasta por volta  41mA  em operação. Veja o exemplo abaixo:

 

Corrente de um GPS típico em operação.
Figura 5 – Corrente de um GPS típico em operação.

 

Note que neste caso em 1200s o GPS gastou 30*10*0,041=12,3A*s, ou seja, 1,23A*s por aquisição de posição, enquanto o rádio Sigfox realizou 2 transmissões de 0,104A*s.

 

 

WiFi + Sigfox

 

Esta é uma nova opção de localização, que ainda é auxiliada pelo dispositivo mas gasta muito menos energia que um GPS. Esta técnica lança mão da ubiquidade dos pontos de acesso WiFi e do fato que existem várias bases de dados que provêm a geolocalização destes pontos de acesso.

 

Uma base muito conhecida, por exemplo, é a do Google, que com base em informações das rádio Bases celulares e Pontos de Acesso WiFi devolve a localização  do dispositivo.

 

Um exemplo deste uso é dado a seguir, extraído da documentação do Google.

 

Se quiser experimentar a Google Maps Geolocation API com exemplos de dados, salve o seguinte JSON em um arquivo:

 

 

Você pode usar cURL para fazer a solicitação pela linha de comando:

 

 

A resposta dos endereços Mac acima aparece desta forma:

 

 

Este método tem algumas vantagens notáveis comparado ao método anterior:

  • Preço do Receptor WiFi muito menor que o do receptor GPS;
  • Menor consumo de energia do receptor WiFi.

 

Em linhas gerais este método de localização opera da seguinte forma:

  • O dispositivo varre os canais de WiFI e levanta os pontos de acesso ao seu redor;
  • O dispositivo escolhe um ou mais pontos de acesso e envia para um servidor;
  • O Servidor recebe os pontos de acesso e as estações Sigfox que receberam a mensagem;
  • Com base nas estações Sigfox, o servidor pede uma Sigfox Geolocation do dispositivo;
  • Esta Locação serve de entrada inicial do banco de dados de pontos de acesso WiFi geo-referenciados;
  • Com a informação anterior buscamos a geolocalização dos pontos de acesso e calculamos onde está o ponto de acesso.

 

A maior parte deste processo é realizado no servidor e isto redunda em um consumo de energia mais baixo do dispositivo.

 

Este  menor consumo é possível porque o receptor WiFI realiza uma Varredura Passiva do espectro, ou seja, apenas gasta algum tempo em cada canal WiFi e esperando para receber um Beacon Frame naquele canal.

 

Estes Beacon Frames são enviados a cada 100ms normalmente, e desta forma para receber beacons em todos os 11 possíveis canais de WiFi  gastará: 11*0,1=1,1s.

 

Se considerarmos que  um chip WiFi chip ESP32 da Espressif gasta 100mA para receber WiFi,  ele gastará no total 1,1s*0,100A= 0,11A*s por varredura. Note que cada uma dessas varreduras resulta numa localização em potencial, e por isto esta técnica nos dá uma localização com o consumo de 0.11A*s quase dez vezes menor que a localização por GPS (1.23A*s).

 

Ao final desta varredura o dispositivo terá uma lista de BSSID de pontos de WiFi internamente e pode escolher o BSSID com melhor sinal para enviar para a rede Sigfox. O BSSID tem 6 Bytes do MAC dos pontos de acesso e 6 Bytes do Fabricante, mas normalmente se pode comprimir muito os bytes de fabricante, e um pouco os do MAC. Desta forma em um Frame Sigfox se pode enviar 2 ou mais BSSIDs.

 

Esta técnica comporta ainda outras otimizações que não vamos analisar, e de fato se torna muito interessante para aplicações de Localização e Rastreamento portáteis, limentadas à bateria e de baixo custo. De fato se pode encontrar dispositivos com preços por volta de US$30.00 em baixos volumes a US$20.00 em grandes volumes e neste preço por vezes já se inclui a própria conectividade Sigfox por um ano!

 

Um interessante exemplo este dispositivos é a LOKA,  da companhia portuguesa Loka-Systems:

 

Rastreador WiFi da Loka Systems
Figura 6 - Rastreador WiFi da Loka Systems

 

Este rastreador é alimentado por duas pilhas AA e já inclui tanto a conectividade Sigfox quanto um sistema de Geolocalização usando uma base de dados própria. É um dispositivo de baixo custo (< US$30.00), e bem pequeno (7x2,2x2,6cm).

 

Para localização e rastreamento a Loka-Systems tem seu próprio sistema para ofertar ao usuário:

 

Tela da aplicação de rastreamento da Loka-Systems - Rastreamento e Localização
Figura 7 – Tela da aplicação de rastreamento da Loka-Systems.

 

Além do necessário para o rastreamento, a Loka conta com um acelerômetro para economizar energia (só realiza localização ao se mover ou parar), medida de temperatura e nível de bateria e facilidade de expansão para outras medidas via um Kit de expansão.  Montada neste Kit de expansão a Loka pode ser usada  como um modem Sigfox genérico e se tem acesso a múltiplos  pinos de IO, ADCs e DACs etc.  Também é possível se usar o WiFi como link local para atualizações de Firmware ou outras funções.

 

Rastreador Loka montado em sua placa de expansão.
Figura 8 – Rastreador Loka montado em sua placa de expansão.

 

Outro produto do mesmo tipo é o mcTrak330 da canadense mcThings:

 

Localizador WiFi mcTrack330
Figura 9 – Localizador WiFi mcTrack330

 

Oferecido por US$46.00 em baixos volumes, ele permite ao usuário desenvolver seus próprios serviços de localização usando os recursos da placa.

 

 

Conclusão

 

A tecnologia Sigfox de comunicação, combinada a novos métodos de localização, cria novos patamares de custo baixo para dispositivos de localização e rastreamento, permitindo uma grande expansão destes serviços.

 

Por apenas US$30.00 em HW, se torna possível rastrear veículos, animais de estimação, malas, mochilas, cargas etc, levando estes serviços a novas audiências e aplicações.

 

(*) Esse post foi patrocinado pela WND Brasil

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Caio Pereira

Muito bom o artigo, me ajudou em algumas dúvidas em relação a geolocalização e tecnologias low energy.
Muito obrigado!