Capítulo 1 — Sistemas Embarcados e a Internet das Coisas (IoT)

1. Sistemas embarcados e a IoT

O termo IoT (Internet das Coisas) é relativamente recente, mas faz referência a um conceito mais antigo conhecido como Machine-to-Machine (M2M).
M2M é um conjunto de tecnologias de rede, cabeadas ou sem fio, que permitem a troca automática de informações entre sistemas, sem intervenção humana.

A IoT pode ser entendida como uma evolução e ampliação do M2M, onde os dispositivos não estão restritos apenas ao ambiente industrial, mas também fazem parte do uso cotidiano da sociedade, como residências, prédios, cidades, hospitais, universidades e agronegócio.

O mercado de IoT continua crescendo de forma acelerada no mundo todo. Essa evolução impulsiona o surgimento constante de novos players e tecnologias em todas as camadas:

• Desenvolvimento de dispositivos de hardware

• Cobertura de conectividade

• Serviços em nuvem, como plataformas de armazenamento, visualização e análise de dados

A IoT é frequentemente apresentada como a nova revolução industrial, e o marketing costuma rotular praticamente todos os casos de uso como “inteligentes”: smart building, smart city, smart healthcare, entre outros.
Na prática, tornar algo “inteligente” não é trivial, e existem diversos protocolos de comunicação, cada um com vantagens e limitações.

Neste material, o foco será um dos principais padrões do ecossistema IoT para comunicações de longo alcance e baixo consumo de energia: LoRaWAN.

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1.1 A Internet das Coisas (IoT)

1.1.1 Sistemas embarcados na IoT

De forma geral, sistemas eletrônicos podem ser caracterizados por quatro atributos principais:

• Consumo de energia

• Poder de processamento

• Dimensões físicas

• Custo

No caso específico de sistemas embarcados aplicados à IoT, podemos assumir, com poucas exceções, que eles apresentam:

• 🔋 Baixo consumo de energia

• 🧠 Baixo poder de processamento

• 📦 Tamanho reduzido

• 💲 Baixo custo

Essas características permitem que dispositivos IoT funcionem por anos com baterias, sejam instalados em locais remotos e tenham viabilidade econômica em larga escala.

A segunda característica essencial de um dispositivo IoT é sua capacidade de comunicação sem fio.
Existem diversos protocolos disponíveis, e a escolha depende principalmente de:

• Alcance necessário

• Taxa de dados (bandwidth)

• Consumo energético permitido

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1.1.2 Protocolos sem fio para IoT

No ecossistema IoT encontramos protocolos como:

• Bluetooth

• Zigbee

• Wi-Fi

• NFC

• Redes celulares (2G, 3G, 4G, 5G)

• NB-IoT, LTE-M

• LoRaWAN

Esses protocolos costumam ser classificados de acordo com:

• Alcance

• Largura de banda

À primeira vista, pode parecer que protocolos com alto alcance e alta taxa de dados são sempre superiores. Porém, esse tipo de gráfico não representa o consumo de energia, que é um fator crítico em IoT.

Por exemplo:

• NFC é extremamente econômico em energia (pode operar até sem bateria).

• Protocolos de longo alcance geralmente reduzem a taxa de dados para economizar energia.

No quadrante de baixo throughput e longo alcance, encontramos tecnologias como:

• NB-IoT

• LTE-M

• Sigfox

• LoRaWAN

Essas tecnologias são agrupadas sob o termo LPWAN (Low Power Wide Area Network).

Neste curso, o foco é LoRaWAN (Long Range Wide Area Network), um padrão projetado para:

• Longo alcance

• Baixa taxa de dados

• Consumo energético extremamente reduzido

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1.1.3 Faixas de frequência (realidade Brasil / AU915)

Em várias regiões do mundo existem faixas de frequência não licenciadas, ou seja:

• Não é necessário solicitar autorização

• Não há cobrança pelo uso do espectro

• Existem limitações técnicas e regulatórias

No Brasil, o LoRaWAN opera principalmente na faixa AU915 (902–928 MHz), alinhada com a regulamentação da Anatel.

Exemplos de faixas ISM:

Faixa	Exemplos de protocolos
13,56 MHz	RFID, NFC
433 MHz	Controles remotos, LoRa
902–928 MHz (AU915)	LoRaWAN
2,4 GHz	Wi-Fi, Bluetooth, Zigbee
5 GHz	Wi-Fi

🔎 Nota AU915 — diferença importante
O livro original usa EU868 como referência.
No Brasil:

• Não existe duty cycle fixo de 1%

• Aplica-se o conceito de dwell time

• O plano de canais é diferente (sub-bandas e múltiplos canais)

Esses pontos serão detalhados nos capítulos seguintes.

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1.2 Modos de compartilhamento do meio

Independentemente do protocolo, o meio de transmissão é sempre o ar.
Como múltiplos dispositivos compartilham esse meio, é necessário definir mecanismos para evitar interferências excessivas.

Os principais modos de compartilhamento são:

1.2.1 FDM — Multiplexação por divisão de frequência

Cada transmissão ocorre em um canal de frequência diferente.

➡️ LoRaWAN utiliza FDM
No AU915, a banda é dividida em múltiplos canais de uplink e downlink.

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1.2.2 TDM — Multiplexação por divisão de tempo

Os dispositivos transmitem de forma intermitente, deixando o canal livre para outros.

➡️ LoRaWAN também utiliza TDM, pois:

• Dispositivos não transmitem continuamente

• Podem ocorrer colisões, já que não há sincronismo rígido

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1.2.3 Espalhamento espectral (Spread Spectrum)

Nesse modo:

• Vários dispositivos transmitem ao mesmo tempo

• No mesmo canal

• Usando estruturas de sinal específicas

➡️ LoRaWAN utiliza Spread Spectrum, permitindo:

• Alta capacidade de coexistência

• Comunicação robusta em ambientes ruidosos

LoRa não utiliza códigos tradicionais, mas símbolos do tipo Chirp, dando origem à modulação:

CSS — Chirp Spread Spectrum

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1.3 Espalhamento espectral com códigos (conceito)

Antes de entrar no Chirp Spread Spectrum, o livro apresenta o conceito clássico de espalhamento com códigos ortogonais, para facilitar o entendimento.

A ideia principal é permitir que vários dispositivos transmitam simultaneamente no mesmo canal, sem que as mensagens se percam, desde que os códigos sejam matematicamente ortogonais.

Esse conceito será posteriormente adaptado no LoRa por meio dos Spreading Factors (SF), que funcionam como “códigos virtuais”.

🔎 Nota prática AU915
No LoRaWAN:

• Diferentes SFs podem coexistir no mesmo canal

• Gateways conseguem receber múltiplos pacotes simultaneamente

• Isso é essencial para redes densas, como:

  • Cidades

  • Universidades

  • Prédios inteligentes

  • Redes privadas corporativas

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Encerramento do Capítulo 1

Neste capítulo você aprendeu:

• O que é IoT e sua relação com M2M

• As características dos sistemas embarcados em IoT

• A classificação dos principais protocolos sem fio

• O conceito de LPWAN

• Os fundamentos de compartilhamento do meio

• A base teórica do Spread Spectrum usado pelo LoRa