Nesta série de Diários de Projeto, apresentamos as tecnologias que estamos investigando como parte de um kit de ferramentas para resposta rápida a incidentes e desastres climáticos. No diário anterior, falamos sobre o Wi-Fi e sobre como redes locais sem fio podem apoiar a comunicação quando a infraestrutura convencional de telecomunicações para de funcionar. Neste diário, seguimos para uma tecnologia com características diferentes: o LoRa e o projeto Meshtastic, que utiliza essa tecnologia para formar redes de mensagens capazes de funcionar sem depender de internet, de torres de telefonia móvel ou de alimentação contínua pela rede elétrica.
Depois do Wi-Fi, que alternativas existem para pontos mais distantes ou isolados?
O Wi-fi , como vimos no diário anterior, é muito utilizado para conectar pessoas e equipamentos dentro de uma área local, como um abrigo, um centro de comando ou uma comunidade. Dependendo dos equipamentos, das antenas e do desenho da rede, também pode ser utilizado em enlaces a distâncias maiores. Mas o que acontece quando precisamos conectar pontos distantes utilizando equipamentos de baixo consumo de energia e transmitir apenas pequenas quantidades de informação?
O que acontece quando uma comunidade fica isolada não só da internet, mas também de qualquer sinal de celular? Como avisar sobre um risco, confirmar que alguém está bem ou indicar uma localização quando não existe rede de telefonia disponível?
Para investigar esse tipo de situação, o projeto Tridecs está testando o LoRa, uma tecnologia de rádio que permite transmitir pequenos volumes de dados com baixo consumo de energia e que, dependendo das condições do enlace, pode alcançar distâncias maiores do que as normalmente utilizadas em redes Wi-Fi locais.
Afinal, o que é LoRa?
LoRa é a abreviação de Long Range (longo alcance). Tecnicamente, é uma tecnologia de modulação de rádio, isto é, uma forma de codificar informações em sinais transmitidos pelo ar. Ela foi desenvolvida para permitir comunicações de baixo consumo de energia e baixa taxa de transmissão, podendo alcançar longas distâncias dependendo das condições do ambiente, das antenas e da configuração dos equipamentos.
O LoRa não foi projetado para transmitir grandes volumes de dados em alta velocidade. Ele prioriza baixo consumo de energia, robustez do enlace e alcance. Dependendo da configuração do rádio, é possível aumentar sua capacidade de receber sinais mais fracos, em troca de uma taxa de transmissão menor e de um tempo maior para enviar cada mensagem.
Essa característica o diferencia de tecnologias como o Wi-Fi, mais adequadas quando precisamos transportar volumes maiores de informação, como imagens, arquivos ou acesso a aplicações web. Os equipamentos LoRa podem operar em diferentes faixas de radiofrequência, que variam conforme o hardware, a região do mundo e as regras estabelecidas em cada país. Muitas implementações utilizam faixas destinadas a equipamentos de baixa potência e de radiação restrita.
Algumas dessas faixas são historicamente conhecidas como ISM (Industrial, Scientific and Medical), embora seu uso por sistemas de comunicação continue sujeito às regras técnicas de cada país.
Uma distinção importante ajuda a entender o restante deste diário: LoRa é a tecnologia utilizada para transmitir o sinal de rádio, mas não define sozinho como uma rede será organizada.
Um exemplo é o LoRaWAN , um protocolo e uma arquitetura de rede que utiliza LoRa. Em uma rede LoRaWAN, os dispositivos normalmente transmitem seus dados para um ou mais gateway , que encaminham essas informações para servidores responsáveis por organizar a rede.
Por que o LoRa interessa ao Tridecs?
Assim como fizemos com o Wi-Fi, vale perguntar: o que essa tecnologia tem de particular para um contexto de resposta a desastres climáticos?
O primeiro aspecto é o baixo consumo de energia. Dependendo do hardware , da capacidade da bateria, da configuração do rádio e da frequência das transmissões, dispositivos baseados em LoRa podem operar por longos períodos com baterias e também podem ser integrados a pequenos sistemas de alimentação solar. Isso é especialmente relevante em cenários nos quais a rede elétrica permanece indisponível.
Outro aspecto é a possibilidade de comunicação sem utilizar redes de telefonia móvel ou internet. No caso do Meshtastic , dispositivos compatíveis e configurados para participar da mesma rede podem trocar mensagens diretamente por rádio LoRa, mesmo quando a infraestrutura de telecomunicações convencional está indisponível. Outro aspecto a ser investigado é o custo. Existem dispositivos compatíveis com LoRa e Meshtastic relativamente baratos e disponíveis comercialmente, o que pode facilitar a experimentação e a implantação de vários nós. O custo total, entretanto, também depende de antenas, baterias, caixas de proteção, sistemas de alimentação e demais componentes necessários para cada cenário.
Por fim, assim como discutimos com o OpenWrt e o LibreMesh no diário sobre Wi-Fi, o o Meshtastic é um projeto de código aberto , composto por firmware , aplicativos e outras ferramentas utilizadas para construir redes de comunicação sobre dispositivos equipados com rádio LoRa. Isso permite que equipes técnicas e comunidades entendam, ajustem e melhorem a ferramenta, em vez de depender de um sistema fechado controlado por um único fornecedor.
Como o Meshtastic transforma dispositivos LoRa em uma rede de mensagens?
O Meshtastic fornece um firmware que pode ser instalado em diferentes modelos de equipamentos equipados com rádio LoRa (como LilyGo, Heltec, RAK ou Seeed Studio), além de aplicativos utilizados para configurar os dispositivos e trocar mensagens.
Alguns exemplos:
Esses equipamentos passam a funcionar como nós da rede Meshtastic, capazes de transmitir mensagens curtas de texto, informações de posição e pequenos volumes de telemetria. Dependendo do equipamento, uma pessoa pode conectar o celular ou computador ao nó por Bluetooth, Wi-Fi ou cabo e utilizar um aplicativo compatível para escrever uma mensagem.. É o nó, através do rádio LoRa, quem efetivamente transmite essa mensagem pelo ar até outros nós dentro do alcance.
E é aqui que entra o conceito de Rede Mesh, já apresentado no diário anterior. Os nós Meshtastic podem participar do encaminhamento das mensagens de outros dispositivos, permitindo que uma comunicação alcance pontos que não possuem enlace direto entre si. Dessa forma, uma mensagem pode atravessar mais de um nó antes de chegar ao destino, sem depender de um ponto de acesso central.
Como as mensagens circulam nessa malha, sem internet e sem torres?
Quando uma mensagem destinada a um grupo é transmitida, os nós próximos recebem o pacote e podem ajudar a retransmiti-lo pela malha. Para evitar que a mesma mensagem seja repetida por vários nós ao mesmo tempo, o Meshtastic usa uma técnica chamada roteamento por inundação controlada : cada nó que recebe um pacote novo espera um curto intervalo de tempo, escolhido de forma aleatória, antes de retransmiti-lo. Se, durante essa espera, o nó perceber que outro dispositivo já retransmitiu o mesmo pacote, ele cancela sua própria retransmissão, já que a mensagem já seguiu adiante e repeti-la só consumiria tempo de rádio e bateria à toa.
Nas mensagens diretas entre dois nós, versões atuais do Meshtastic também conseguem aproveitar informações aprendidas sobre os caminhos da rede, reduzindo a necessidade de propagar toda comunicação para todos os dispositivos.
Para evitar que uma mensagem continue atravessando a rede indefinidamente, os pacotes possuem um limite de saltos. Cada retransmissão consome parte desse limite; quando ele chega ao fim, a mensagem deixa de ser encaminhada.
A comunicação também pode ser organizada em canais. Dispositivos configurados com o mesmo canal e a mesma chave conseguem decriptar e ler o conteúdo das mensagens compartilhadas naquele canal. Outros nós da mesma rede de rádio podem, dependendo da configuração, ajudar a retransmitir esses pacotes sem necessariamente conseguir ler seu conteúdo. A comparação com um “grupo privado” ajuda a entender a organização das mensagens, mas não significa que o modelo de segurança seja equivalente ao de aplicativos modernos de mensagens instantâneas.
O Meshtastic possui configurações padrão amplamente conhecidas. Por isso, uma rede destinada a comunicações que não devem ser públicas precisa utilizar configurações e chaves próprias, definidas antes da distribuição dos equipamentos. Quando o aplicativo não está conectado, o nó pode manter temporariamente uma quantidade limitada de mensagens recentes em sua memória. Ao se reconectar, a pessoa pode receber parte das mensagens que chegaram durante esse período.
O que isso tem a ver com sensores e monitoramento ambiental?
A mesma infraestrutura de comunicação também pode transportar pequenos pacotes de telemetria produzidos por sensores compatíveis ou por sistemas integrados aos nós, como informações de posição, temperatura, umidade, estado da bateria e outras medições.
Essa característica reaproxima o Meshtastic do universo da IoT . Quando integrada a sensores e aplicações adequadas, essa infraestrutura pode também ser experimentada para transportar informações relacionadas à prevenção e ao acompanhamento de riscos, como dados de nível de rios, temperatura, umidade ou outras condições ambientais.
A partir desse contexto, como o LoRa e o Meshtastic poderiam ser utilizados durante enchentes, deslizamentos e incêndios?
LoRa e Wi-Fi não se diferenciam apenas pelo alcance. São tecnologias com capacidades distintas e que podem desempenhar papéis complementares.
Uma rede Wi-Fi pode ser mais adequada para disponibilizar aplicações locais, mapas, arquivos e outros conteúdos que exigem maior capacidade de transmissão. Já uma rede Meshtastic sobre LoRa pode ser utilizada para experimentar a circulação de mensagens curtas, posição e telemetria entre pontos mais distantes e com menor disponibilidade de energia.
Durante enchentes, inundações e deslizamentos
| Grupo | Proposta |
|---|---|
| Equipes de resposta e resgate | Pode funcionar como canal complementar para envio de mensagens de status e informações de posição a partir de pontos sem cobertura de telefonia móvel. |
| Comunidades impactadas | Pode oferecer um canal adicional para enviar mensagens curtas, pedir apoio ou informar uma situação local quando outros meios de comunicação estiverem indisponíveis. |
| Organizações de ajuda humanitária | Pode apoiar a troca de atualizações curtas entre abrigos, pontos de distribuição e equipes espalhadas por uma área extensa. |
| Equipes de telecomunicações | Pode servir como uma camada mínima e temporária de troca de informações em áreas isoladas durante a avaliação e o restabelecimento de outras infraestruturas. |
Durante incêndios
| Grupo | Proposta |
|---|---|
| Brigadistas e equipes de resposta | Pode apoiar o compartilhamento de mensagens curtas e informações de posição entre pontos de atuação, quando os equipamentos dispuserem de localização e houver conectividade pela malha. |
| Comunidades impactadas | Pode funcionar como canal complementar para disseminar orientações e avisos entre propriedades ou pontos previamente equipados com dispositivos compatíveis. |
| Organizações de ajuda humanitária | Pode apoiar a troca de atualizações básicas entre abrigos e equipes distribuídas por uma região. |
| Equipes responsáveis pela infraestrutura | Pode transportar telemetria sobre bateria, energia e estado de pontos remotos da própria rede. |
Esses exemplos não representam um conjunto fechado de aplicações. Fazem parte das hipóteses que pretendemos investigar ao longo desta fase do projeto, buscando entender em quais situações o LoRa pode complementar o Wi-Fi e outras tecnologias de comunicação já discutidas nesta série.
Quais oportunidades essa tecnologia oferece?
- Baixo consumo de energia, permitindo longos períodos de operação conforme o hardware e a configuração utilizada. · Possibilidade de comunicação a distâncias maiores que as normalmente utilizadas em redes Wi-Fi locais, dependendo do relevo, das antenas e dos parâmetros de rádio.
- Funcionamento sem depender diretamente de internet ou de redes de telefonia móvel.
- Existência de dispositivos compatíveis com custo relativamente acessível para experimentação.
- Equipamentos pequenos e leves, facilitando transporte e implantação temporária em diferentes pontos.
- Possibilidade de integração com sensores e sistemas de telemetria.
- Ecossistema de software de código aberto no caso do Meshtastic.
- Formação e adaptação da malha sem necessidade de configurar manualmente rotas na maior parte dos usos.
E quais são os desafios?
- Capacidade de transmissão limitada: o LoRa foi criado para mensagens curtas e pequenos volumes de dados, não para voz, imagens ou vídeos.
- Diversidade de equipamentos: a grande quantidade de placas, rádios, antenas, baterias e combinações de hardware disponíveis pode tornar mais difícil selecionar e padronizar um conjunto de equipamentos para uso em campo.
- Configuração inicial: embora o Meshtastic automatize grande parte do funcionamento da malha, ainda é necessário definir região de rádio, canais, chaves, funções dos nós e outros parâmetros adequados ao cenário.
- Segurança da comunicação: as configurações padrão não devem ser consideradas privadas. Canais utilizados para informações sensíveis precisam de chaves próprias e ainda possuem limitações de segurança que devem ser consideradas no desenho da operação. Mensagens diretas em versões atuais possuem proteções adicionais, mas isso não elimina a necessidade de planejamento e procedimentos de segurança.
- Dependência do desenho da malha: o alcance real depende de relevo, vegetação, construções, altura e qualidade das antenas. Uma mensagem só consegue atravessar diferentes pontos quando existem nós disponíveis e enlaces de rádio utilizáveis entre eles.
- Energia e manutenção: baixo consumo não significa ausência de manutenção. Baterias precisam ser dimensionadas, monitoradas e eventualmente recarregadas ou substituídas.
- Capacidade da malha: todos os nós compartilham um meio de rádio de baixa taxa de transmissão. Uma quantidade grande de dispositivos ou transmissões frequentes pode aumentar congestionamento, atrasos e perda de mensagens.
- Regulação do espectro: frequências, potência e outros parâmetros precisam estar adequados às regras da Anatel e às características dos equipamentos utilizados no Brasil.
O que queremos entender melhor com os testes?
O Tridecs também não parte da ideia de que já possui todas as respostas sobre o LoRa e o Meshtastic. Estamos investigando possibilidades, assim como fizemos com o Wi-Fi.
Queremos compreender em quais distâncias e condições de terreno a comunicação se mantém utilizável; como relevo, vegetação, construções, altura e tipo de antena afetam os enlaces; como o consumo de energia varia entre diferentes equipamentos e configurações; e quanto conhecimento técnico é necessário para que uma equipe configure, distribua e mantenha os dispositivos em campo.
Também queremos observar como a rede se comporta quando aumenta o número de nós e mensagens, quais procedimentos são necessários para utilizar canais de forma segura e como mensagens de texto, posição e telemetria podem se combinar com Wi-Fi, rádio HT e outras tecnologias para formar um conjunto de ferramentas complementar.
No próximo diário, seguimos essa investigação com outra camada de comunicação já mencionada no início desta série: o rádio HT, utilizado em diferentes contextos de comunicação por voz, incluindo operações de campo, equipes de resposta e radioamadorismo.
Até a próxima!