Conheça as principais Tecnologias de comunicação sem fio

A comunicação sem fio é um dos modos de conectividade mais desejados entre dois ou mais dispositivos. Nessa tecnologia, a comunicação de dados é realizada por meio de ondas eletromagnéticas, como frequências de rádio, infravermelho e satélite, ao invés de cabos e fios.

As comunicações sem fio operam em frequências específicas no espectro eletromagnético de 3 Hz a 3000 GHz (3 THz), chamadas de ondas de rádio. Inclui uma grande variedade de aplicações de computação e comunicação, desde dispositivos celulares de terceira a quinta geração (3G / 4G / 5G), acesso de banda larga, redes WiFi internas, sistemas veículo a veículo (V2V), micro-ondas, aeronáutica, marítima e outros serviços comerciais e privados de rádio.

Devido ao requisito dinâmico, diferentes métodos e padrões de comunicação sem fio foram desenvolvidos em todo o mundo, com base em vários requisitos comerciais, como aplicação específica e faixa de transmissão. Essas tecnologias podem ser classificadas em quatro categorias individuais: Rede de área pessoal sem fio (WPAN), Rede de área local sem fio (WLAN), Rede de área metropolitana sem fio (WMAN), Rede de área ampla sem fio (WWAN). Conforme implicado por seus nomes, as propriedades dessas soluções em termos de alcance e taxa de dados são otimizadas para uso e cobertura pessoal, local, metropolitana ou mundial.

O alcance de um PAN sem fio é normalmente de alguns metros. WPANs podem ser usados ​​para comunicação entre os próprios dispositivos pessoais (comunicação intrapessoal) ou para conexão a uma rede de nível superior e à Internet. Uma LAN sem fio conecta dois ou mais computadores sem usar fios, a WLAN utiliza tecnologia de espalhamento espectral baseada em ondas de rádio para permitir a comunicação entre dispositivos IEEE 802.11, o padrão Wi-Fi, denota um conjunto de padrões LAN/WLAN sem fio. O Wireless MAN é o nome registrado pelo IEEE 802.16 Working Group on Broadband Wireless Access Standards para seu padrão de rede de área metropolitana sem fio (comercialmente conhecido como WiMAX), que define o acesso à Internet de banda larga a partir de dispositivos fixos ou móveis via antenas. A WAN sem fio é uma rede de computadores que cobre uma ampla área geográfica, as WANs são usadas para conectar redes locais (LANs ou WLANs), de modo que usuários e computadores em um local possam se comunicar com usuários e computadores em outros locais. WANs também se referem a Comunicações de dados móveis, como GSM, GPRS e 3G. O maior e mais conhecido exemplo de WAN é a Internet.

Blocos de construção da tecnologia sem fio

comunicação sem fio

RFID

RFID (Radio Frequency Identification) pode ser definida como tecnologia de identificação automática, que usa radiofrequência para identificar objetos que carregam etiquetas quando se aproximam de um leitor. A tecnologia RFID é um método simples de troca de dados entre duas entidades, ou seja, um leitor/gravador e uma etiqueta. Esta comunicação permite determinar a informação sobre a etiqueta ou o elemento que a contém, permitindo assim uma gestão mais fácil dos processos.

O uso da tecnologia RFID se espalhou em muitas áreas, como negócios, setor de saúde e áreas de manufatura. RFID fornece uma tecnologia ideal para rastrear ativos e identificá-los usando uma antena simples de baixo custo conectada ao alvo. É usado para identificação de tudo, desde etiquetagem de loja até rastreamento de veículos e melhora a distribuição e visibilidade nas cadeias de abastecimento e permite o controle de acesso em situações de segurança.

Semelhante a como um rádio deve ser sintonizado em diferentes frequências para ouvir diferentes canais, as etiquetas e leitores RFID devem ser sintonizados na mesma frequência para se comunicar. RFID usa várias frequências de rádio e muitos tipos de etiquetas existem com diferentes métodos de comunicação e fontes de alimentação. As etiquetas RFID geralmente apresentam um chip eletrônico com uma antena para passar informações para o interrogador (também conhecido como estação base ou, mais geralmente, leitor). O conjunto é chamado de enlaço e é montado para ser capaz de resistir às condições em que irá operar. Este produto acabado é conhecido como etiqueta, tag ou transpônder.

RFID é considerado um dispositivo de curto alcance não específico. Ele pode usar bandas de frequência sem licença. Seu alcance difere de 1–12 metros com velocidade de 640 kbps. A RFID deve ser compatível com os regulamentos locais (ETSI, FCC, etc.). A maioria dos países atribuiu 125 a 134 kHz do espectro para sistemas RFID de baixa frequência; 13,56 MHz é geralmente usado em todo o mundo para sistemas RFID de alta frequência. Os sistemas RFID UHF usam 433 e 860 – 960 MHz e 2,45 / 5,8 GHz são frequências superaltas.

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NFC

Near Field Communication (NFC) facilita a tecnologia sem fio de comunicação de curto alcance entre dispositivos compatíveis que usam ondas eletromagnéticas. A tecnologia permite a troca de dados sem contato por meio de dispositivos capazes, protegidos por meio de um contato ponto a ponto em curtas distâncias. O NFC usa uma baixa taxa de dados de comunicações sem fio de frequência de 13,56 MHz. O NFC baseado na tecnologia RFID oferece aos protocolos de identificação um meio que confirma a transferência segura de dados. Ele permite que os usuários realizem uma transação sem contato, acessem conteúdo digital e conectem dispositivos eletrônicos tocando-os ou aproximando-os. As etiquetas baseadas em NFC são incorporadas em cartões de crédito, telefones inteligentes e outros dispositivos vestíveis e usados ​​em várias aplicações como troca de dados entre dois smartphones, pagamento sem contato, cartões de transporte, gerenciamento de acesso a estacionamento, bilhetagem baseada em celular, aplicações médicas — rastreamento de paciente para rastreamento biomédico, rastreamento de ativos e muitos mais.

A tecnologia envolve o uso de acoplamento indutivo para transportar energia entre dois dispositivos em um campo magnético compartilhado. Quando uma etiqueta é colocada perto do leitor, o campo da bobina da antena do leitor emparelha a bobina da antena da etiqueta. Uma tensão é então produzida na tag, que é posteriormente retificada e utilizada para alimentar o circuito interno da tag. O leitor regula o campo para comunicar seus dados com aquela tag. O circuito das etiquetas varia a carga da bobina para retornar dados da etiqueta ao leitor, mesmo que a portadora não modulada do leitor permaneça a mesma. O leitor detecta isso devido ao acoplamento mútuo. Essa funcionalidade é denominada modulação de carga.

Os dispositivos equipados com chips NFC são de dois tipos: iniciador (passivo) e alvo (ativo). Uma etiqueta NFC pode ser ativa e passiva. No entanto, um leitor NFC é sempre um dispositivo ativo. Esses dispositivos funcionam nos modos ativo-passivo ou ativo-ativo (par-par). Ambos os dispositivos NFC têm energia independente no modo ativo-ativo, ao passo que, no modo ativo-passivo, o dispositivo passivo obtém sua energia das ondas eletromagnéticas do dispositivo ativo. O modo básico de comunicação é half-duplex em NFC, em que um dispositivo NFC transmite enquanto o outro dispositivo recebe.

Uma vantagem importante do NFC é que a tecnologia se adapta à infraestrutura RFID existente, cartões inteligentes sem contato e etiquetas RFID. Um dispositivo compatível com NFC combina os dois componentes: um leitor ativo e um transpônder passivo. Ele lê os dados e os grava de ou para uma tag que recebe os dados e os transmite diretamente para outro dispositivo NFC.

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Bluetooth

Bluetooth é um padrão para comunicações sem fio baseadas em um sistema de rádio projetado para conectividade de curto alcance para dispositivos pessoais portáteis. Ele define toda uma pilha de comunicação que permite que os dispositivos se encontrem e anunciem os serviços que oferecem. O Bluetooth é amplamente usado em tecnologia WPAN (rede de área pessoal sem fio), também conhecida como rede de curta distância sem fio. O padrão IEEE 802.15.1 especifica a operação e a arquitetura dos dispositivos Bluetooth, mas a operação se refere apenas à camada física e à camada de controle de acesso ao meio (MAC). As camadas de protocolo e aplicativos são padronizados pelo Bluetooth SIG. Os canais são acessados ​​usando uma técnica FHSS, com uma taxa de sinal de 1 Mb/s, usando a modulação Gaussian shaped frequency shift keying (GFSK).

Cada dispositivo que usa Bluetooth possui um pequeno microchip que pode enviar dados e sinais de voz. Um dispositivo funciona como mestre em qualquer configuração típica e um ou vários dispositivos funcionam como escravos. Este dispositivo mestre utiliza um software gerenciador de link para diferenciar outros dispositivos Bluetooth e criar links para receber e enviar dados. Os sistemas Bluetooth incluem pilhas de protocolo, transceptores e basebands e podem criar uma rede compacta com alguns dispositivos. Os sistemas criam uma grande rede distribuída que consiste em numerosas redes Pico independentes e um cluster de piconets interconectadas denominado scatternet. Um sistema Bluetooth simples inclui antenas, software, controle de link e gerenciamento de link.

Os dispositivos Bluetooth usam a banda de 2,4 GHz, que é a banda de frequência Industrial, Científica e Médica (ISM) gratuita para seus sinais de rádio e permite o estabelecimento de comunicações entre dispositivos até uma distância máxima de cerca de 100 metros. A principal vantagem do Bluetooth é sua capacidade de lidar simultaneamente com transmissões de dados e voz, permitindo soluções inovadoras como um fone de ouvido móvel viva-voz para chamadas de voz, capacidade de impressão para fax e sincronização automática de aplicativos de PDA, laptop e catálogo de endereços de telefone celular.

As duas especificações de implementação mais populares são Bluetooth Basic Rate ou Enhanced Data Rate (BR/EDR), validado como versão 2.0/2.1, e Low Energy (LE) Bluetooth, validado como versão 4.0/4.1/4.2/5.0. O Bluetooth BR/EDR estabelece uma conexão sem fio contínua e de curto alcance. A taxa de dados EDR de 2–3 Mbits torna-o ideal para casos de uso como streaming de áudio. BLE permite conexão de rádio de longo alcance em rajadas curtas, tornando-o ideal para aplicações de Internet das Coisas (IoT). Os beacons Bluetooth são utilizados para aplicações baseadas em localização interna, detecção de atividade e detecção de proximidade. O uso de BLE está se tornando muito popular à medida que diferentes indústrias estão adotando para aplicação, como solução de rastreamento de ativos, unidades de manufatura, sistema de posicionamento de triangulação tridimensional usando beacons baseados em BLE.

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ZigBee

ZigBee é um protocolo de comunicação global padronizado sob IEEE 802.15. Ele se baseia no controle de acesso à mídia e na camada física definida no padrão IEEE 802.15.4 para WPANs de baixa taxa. Este padrão de rede sem fio visa monitorar e controlar aplicações onde são necessários níveis de transferência de dados relativamente baixos com alcance de 10 – 100 metros, com a possibilidade de sensores remotos alimentados por bateria. O baixo consumo de energia é vital. Sensores, controles de iluminação, segurança e várias aplicações sob esta tecnologia são adequados para funcionar em locais isolados e ambientes de rádio hostis. Os ZDOs (ZigBee Device Objects) controlam as funções dos dispositivos, gerenciam as solicitações de ingresso na rede, a segurança e descoberta os dispositivos.

O sistema é especificado para operar em uma das três bandas livres de licenças a 2,4 GHz, 915 MHz e 868 MHz a 2,4 GHz, a taxa máxima de dados é 250 kbps. Para 915 MHz, o padrão suporta uma taxa máxima de dados de 40 kbps, enquanto que a 868 MHz pode suportar transferência de dados de até 20 kbps. Existem três topologias de rede diferentes que são suportadas pelo ZigBee, nomeadamente a estrela, malha e árvore de cluster ou redes híbridas. Existem inúmeras vantagens no protocolo ZigBee, incluindo sua confiabilidade, escalabilidade e capacidade de autocorreção de sua rede mesh.

ZigBee PRO é uma versão do ZigBee que traz maiores recursos, como técnicas de roteamento, saltos de rede, número máximo de dispositivos e segurança de rede. Ao adotar o ZigBee PRO como uma versão aprimorada, é possível fornecer os recursos adicionais de alguns aplicativos, mantendo uma pilha mais simples e de baixo custo e mantendo o consumo de energia mais baixo para os aplicativos que não requerem os recursos adicionais.

A tecnologia ZigBee é simples, confiável e rápida. Uma rede ZigBee gera redes auto-organizáveis ​​e acomoda vários dispositivos. Ele pode criar comunicação multicanal e encontra amplo uso nas indústrias de M2M e IoT, como smart grid e sensoriamento remoto em outros campos. ZigBee PRO é uma versão do ZigBee que oferece melhores recursos, como técnicas de roteamento, segurança de rede e saltos de rede. A adoção de uma versão aprimorada do ZigBee PRO pode oferecer recursos de aplicativo adicionais.

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Wi-Fi

Wi-Fi (Wireless Fidelity) é um termo genérico que se refere ao padrão de comunicação IEEE 802.11 para WLANs. Ele usa ondas de rádio para fornecer conexões de rede e Internet sem fio de alta velocidade com base nos padrões IEEE 802.11. Wi-Fi é uma marca comercial da Wi-Fi Alliance, que restringe o uso do termo “certificado por Wi-Fi” para produtos que concluem com sucesso os testes de certificação de interoperabilidade.

O Wi-Fi tem velocidade mais rápida, melhor segurança e maior alcance em comparação com as tecnologias sem fio padrão. Essa tecnologia sem fio local permite que equipamentos eletrônicos troquem dados ou fiquem online usando as bandas de rádio 5 GHz SHF ISM e 2,4 GHz UHF. A maioria dos dispositivos eletrônicos hoje em dia tem interfaces WiFi integradas, como computadores pessoais, consoles de videogame e smartphones, etc. Eles se conectam a recursos de rede (como a Internet) através de um ponto que permite o acesso à rede sem fio. Esses pontos de acesso (comumente conhecidos como pontos de acesso) têm um alcance de aproximadamente 20 metros em ambientes internos e um alcance maior em ambientes externos. Todas as redes WiFi são sistemas TDD centrados em contenção, onde estações móveis e pontos de acesso competem para usar o mesmo canal.

Os sinais de rádio são chaves que tornam possível a rede sem fio. Receptores WiFi (como telefones celulares e laptops) captam esses sinais de rádio transmitidos por antenas WiFi. Os receptores são equipados com cartões WiFi. O cartão WiFi lê esses sinais e cria uma conexão de Internet entre a rede e o usuário.

Os pontos de acesso, como roteadores e antenas, são as principais fontes de transmissão e recepção de ondas de rádio. Antenas mais fortes têm transmissão de rádio mais longa e um raio de cerca de 300 – 500 pés. Estes encontram uso em áreas externas. O roteador mais fraco, mas eficaz, é mais adequado para uso interno com sua transmissão de rádio de 100 – 150 pés. Um ponto de acesso WiFi pode ser criado através da instalação de um ponto de acesso de conexão à Internet. O ponto de acesso funciona como uma estação base. O dispositivo habilitado para WiFi se conecta sem fio à rede quando encontra um ponto de acesso.

A segurança é uma grande preocupação em WiFi, mesmo com a disponibilidade de melhores sistemas de criptografia. A criptografia é voluntária em WiFi e diferentes métodos são definidos. O WEP perdeu sua relevância quando o WiFi Protected Access (WPA) foi iniciado como uma parte 802.11i e implementado por meio de uma atualização de firmware. A versão base WPA vem com chaves pré-compartilhadas (WPA-PSK). Ele se destina ao uso pessoal e, portanto, o WPA não precisa de um servidor de autenticação. O WPA-Enterprise deve usar o servidor RADIUS (Remote Authentication Dial-in User Service) e oferece suporte a muitas extensões de protocolo de autenticação extensível (EAP).

WPA2 foi a versão padrão 802.11i ratificada de 2004. É semelhante ao WPA, mas o suporte a WPA2 é obrigatório para produtos que precisam ser certificados por WiFi. WPA3 aprimora WPA/WPA2 e usa criptografia de 128 bits e criptografia de 192 bits nos modos pessoal e empresarial. WPA3 aumenta o sigilo direto.

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Celular

O avanço das redes móveis é enumerado por gerações. Muitos usuários se comunicam em uma única banda de frequência por meio de telefones celulares. Os telefones celulares e sem fio são dois exemplos de dispositivos que usam sinais sem fio. Normalmente, os telefones celulares têm uma gama maior de redes para fornecer cobertura. Porém, os telefones sem fio têm um alcance limitado. Semelhante aos dispositivos GPS, alguns telefones usam sinais de satélites para se comunicarem.

WWAN é uma comunicação de longo alcance utilizando dados de rede celular em qualquer lugar e também com a utilização de internet. WWANs estabelecem conexão em grandes áreas, como cidades ou países, por meio de vários sistemas de satélite ou sites de antenas gerenciados por um provedor de serviços de Internet (ISP). Esses sistemas são chamados de sistemas 2G (segunda geração). Essas redes exigem alto custo de implantação, pois cobrem uma grande área geográfica. WWANs incluem redes celulares de telecomunicações móveis, como Long Term Evolution (LTE), GSM, CDMA 2000, dados de pacote digital celular (CDPD) e Mobitex para transferência de dados.

O Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) é um sistema de terceira geração (3G) de serviços móveis, que estabelece comunicações de voz e conectividade de dados em alta velocidade, incluindo acesso à Internet, aplicativos de dados móveis e conteúdo multimídia. O acesso de pacote de downlink de alta velocidade (HSDPA) e o acesso de pacote de uplink de alta velocidade (HSUPA) pertencem à geração 3,5 e 3,75 de sistemas móveis, respectivamente. O HSDPA possui taxas de bits de 2Mbit/s para downlink e 384kbit/s para direção de uplink e HSUPA permite o nvio de dados a uma taxa de bits de 1,45Mbit/s para direção de link.

4G de tecnologia de telecomunicações móveis fornece acesso à Internet de banda larga móvel para modems sem fio, smartphones e também para outros sistemas móveis. Os sistemas 4G oferecem serviços essenciais aprimorados, como videochamada em HD, maior largura de banda (BW), alta taxa de transferência de dados, melhor QoS e serviços de streaming de jogos online. Ele tem uma capacidade de 40 MHz BW e define um requisito de velocidade de pico de 100 Mbps.

5G, uma tecnologia celular móvel nascente, desfruta de uma alta taxa de dados e melhor eficiência energética. Ele oferece suporte a um ambiente de realidade virtual completo com aplicativos de áudio / vídeo ultra-HD e velocidade de dados de 10 Gbps para aumentar os serviços de nuvem móvel. O 5G é baseado em padrões como CDMA (Code Division Multiple Access), WWWW (World Wide Wireless Web) e BDMA (Beam Division Multiple Access). Ele suporta grande largura de banda bidirecional com taxas de dados superiores a 1,0 Gbps com o espectro proposto de 3 a 300 GHz por meio de conectividade onipresente. A computação em nuvem e a Internet constituem a infraestrutura de rede central, que fornece serviços de comunicação confiáveis ​​e rápidos, IoT, comunicação holográfica, dispositivos sem fio vestíveis, computação em nuvem, realidade virtual, avanço em banco online seguro, TV full HD móvel, telemedicina, roaming global, Streaming de vídeo Ultra HD e serviços de jogos online, entre outros. O 5G aumenta as experiências digitais por meio da automação auxiliada por ML. A demanda por tempos de resposta mais rápidos (exemplo: carros autônomos) empurra as redes 5G para a automação avançada com ML e, a longo prazo, IA e aprendizado profundo (DL).

Prevê-se que as redes de comunicação sem fio 6G ofereçam cobertura global, segurança, eficiência espectral/energia/custo aprimorada e melhor nível de inteligência. As redes 6G, para atender a esses requisitos, contarão com novas tecnologias de validação, divisão de rede, computação em nuvem/névoa/borda e arquitetura sem células. O mesmo pode complementar as redes não terrestres, como as redes de comunicação por satélite e veículos aéreos não tripulados (UAV). Isso resultaria em uma rede de comunicação integrada espaço-ar-solo-mar, incluindo as bandas de frequência sub-6 GHz, onda milimétrica (mmWave), terahertz (THz) e óptica.

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SigFox

A Sigfox fornece uma operadora de rede de estilo celular que fornece uma solução feita sob medida para Internet das Coisas de baixo rendimento e aplicativos M2M. Ele conecta dispositivos remotos usando a tecnologia Ultra Narrow Band (UNB) e opera nas bandas não licenciadas (ISM). Ele usa um método de transmissão de rádio padrão chamado binary phase-shift keying (BPSK).

Existem várias aplicações que precisam dessa forma de tecnologia de comunicação sem fio de baixo custo. Ele requer um rádio terminal barato e uma estação base mais sofisticada para gerenciar a rede e é direcionado principalmente para aplicações de baixa taxa de dados. Exige muito menos antenas em comparação com as redes celulares tradicionais, como GSM/CDMA. Sigfox adaptou um protocolo leve para lidar com pequenas mensagens. Menos dados para enviar significa menos consumo de energia, portanto, maior vida útil da bateria.

Usando a modulação Ultra Narrow Band, Sigfox opera nos 200 kHz da banda publicamente disponível e não licenciada para trocar mensagens de rádio pelo ar (868 a 869 MHz e 902 a 928 MHz dependendo das regiões). Cada mensagem tem 100 Hz de largura e é transferida a 100 ou 600 bits por segundo a uma taxa de dados, dependendo da região. Conseqüentemente, longas distâncias podem ser alcançadas sendo muito robustas contra o ruído. A transmissão não está sincronizada entre o dispositivo e a rede. O dispositivo transmite cada mensagem 3 vezes em 3 frequências diferentes (salto de frequência). As estações base monitoram o espectro e procuram sinais UNB para demodular.

A densidade das células na rede Sigfox é baseada em um intervalo médio de cerca de 30-50 km em áreas rurais e em áreas urbanas onde geralmente há mais obstruções e o ruído é maior, o intervalo pode ser reduzido para entre 3 e 10 km. As distâncias podem ser muito maiores para nós externos, onde as mensagens de linha de visão SIGFOX podem viajar mais de 1000 km.

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LoRa

LoRa é uma tecnologia sem fio desenvolvida para permitir que comunicações de baixa taxa de dados sejam feitas em longas distâncias por sensores e atuadores para aplicações M2M e Internet das Coisas. Ele usa espectro de rádio não licenciado nas bandas Industrial, Científica e Médica (ISM) para permitir baixa potência, comunicação de área ampla entre sensores remotos e gateways conectados à rede. Ele usa tecnologia de espalhamento espectral com uma banda mais ampla. Seu chirp de frequência modulada utiliza ganho de codificação para aumentar a sensibilidade do receptor.

LoRaWAN é uma especificação de protocolo de infraestrutura LPWAN (Low Power Wide Area Network) de código aberto construída sobre a tecnologia LoRa desenvolvida pela LoRa Alliance que permite que outras empresas criem suas próprias redes IoT com base em suas especificações de tecnologia. Essa abordagem baseada em padrões para construir um LPWAN permite a configuração rápida de redes IoT públicas ou privadas em qualquer lugar usando hardware e software que é bidirecionalmente seguro, interoperável e móvel, fornece localização precisa e funciona da maneira que você espera.

Uma rede LoRa pode ser organizada para fornecer cobertura semelhante à de uma rede celular. De fato, muitas operadoras LoRa são operadoras de rede celular que poderão usar mastros existentes para montar antenas LoRa. Em alguns casos, as antenas LoRa podem ser combinadas com antenas celulares, pois as frequências podem estar próximas e a combinação de antenas fornecerá vantagens de custo significativas. As principais características do LoRa é que ele cobre um longo alcance de 15 – 20 quilômetros, pode se conectar a milhões de nós e sua bateria dura mais de 10 anos. Os aplicativos da tecnologia sem fio LoRa incluem medição inteligente, rastreamento de estoque, máquina de venda automática, dados e monitoramento, indústria automotiva, aplicativos de serviços públicos onde relatórios e controle de dados podem ser necessários.

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Contato da Newark no Brasil

Para maiores informações e adquirir componentes contate a LATeRe , representante da Newark, pelo Telefone (11) 4066-9400 ou e-mail: vendas@laterebr.com.br 

* Texto originalmente publicado em: link.

(*) este post foi patrocinado pela Newark e LATeRe

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