BR102021013827A2 - Comunicador e repetidor para monitaramento de objetos e animais via comunicação sem fio - Google Patents

Abstract

A presente invenção trata de um comunicador e repetidor com aplicação na área de controle/monitoramento de cargas e possui interfaces de GPS, Bluetooth, Wi-Fi e rádio UHF, além de utilizar a tecnologia LoRa, desenvolvido em um sistema com uma rede de dispositivos que se comunicam entre si, e transmitem as mensagens adiante até que chegue ao seu destino, tendo assim, a característica de repetidor, o que aumenta ainda o alcance e cobertura. Atualmente, as tecnologias utilizadas para monitoramento de cargas, sejam vivas ou não, são completamente dependentes de um só meio e transmissão, o que faz com que muitas vezes, mensagens muito importantes sejam perdidas pois foram transmitidas em locais fora da zona de cobertura. Para isso, apresenta-se um dispositivo de comunicação e repetidor com comunicação sem fio. A comunicação é completa, e pode ser feita por GPS, Wi-Fi, Bluetooth, UHF de 433MHz a 928MHz (banda global livre ISM) e LoRa. O dispositivo é composto por cabo do carregador, porta serial USB (1), botões de reinicialização e seleção (2), botões para programação (3), sensor de pulso cardíaco (4), LEDs de pulso e de transmissão (5), sensor de temperatura e sensor de umidade (6), display OLED (7), LED Power (8), Antena UHF (9), e possui internamente bateria de polímero de lítio, sensor e módulos para expandir funções.

Description

COMUNICADOR E REPETIDOR PARA MONITARAMENTO DE OBJETOS E ANIMAIS VIA COMUNICAÇÃO SEM FIO Setor tecnológico da Invenção

[001] A presente invenção trata de um comunicador e repetidor com aplicação na área de controle/monitoramento de cargas e possui interfaces de GPS, Bluetooth, Wi-Fi e rádio UHF, além de utilizar a tecnologia LoRa, desenvolvido em um sistema com uma rede de dispositivos que se comunicam entre si, e transmitem as mensagens adiante até que chegue ao seu destino, tendo assim, a característica de repetidor, o que aumenta ainda o alcance e cobertura.

Problema técnico e síntese da invenção

[002] Atualmente, as tecnologias utilizadas para monitoramento de cargas, sejam vivas ou não, são completamente dependentes de um só meio e transmissão, o que faz com que muitas vezes, mensagens muito importantes sejam perdidas pois foram transmitidas em locais fora da zona de cobertura.

[003] A solução seria criar uma solução que pudesse contornar tal problema, garantindo que, onde a carga estiver, seja possível localizá-la. Tal objetivo foi atingido criando uma solução de transmissão de dados através da repetição dos sinais LoRa que são enviados. Que ocorre da seguinte maneira: um sinal é emitido pela carga X, porém não há nenhum gateway receptor nas proximidades, todavia a carga X está próxima a carga Y, que vai capturar esse sinal, fazer a leitura, e assim que identificar que esse comando não é para ele, faz a retransmissão do sinal. Isso ocorre até que o sinal chegue ao seu destino.

Estado da técnica

[002] O termo LoRa (long range) foi criado pela LoRa Alliance, uma organização não lucrativa com mais de 500 companhias e amplo suporte aos desenvolvedores ao redor do globo, com o objetivo de viabilizar em larga escala de soluções para IoT, utilizando, como base, o protocolo de comunicação open source LoRaWAN. O foco é tornar possível a implementação de soluções IoT em larga escala ao redor do mundo, por meio de um ecossistema LoRaWAN robusto e confiável. Através da padronização, são definidas as bandas de frequência utilizadas em diversos países, de acordo com suas legislações e normas de seus órgãos regulamentadores. No Brasil o órgão regulamentador para comunicações sem fio é a Agência Nacional de Telecomunicações (ANATEL) e a banda utilizada é a US915 MHz.

[003] A Semtech é a responsável pela criação e desenvolvimento da técnica de modulação utilizada em redes LoRa, baseada no conceito Chirp Spread Spectrum (BERNI, A.J.; GREGG, W.D. On the utility of chirp modulation for digital signaling. IEEE Trans. Commun. 1973, 21, 748–751), com variações lineares (pulsos) na frequência similar à modulação Frequency Shift keying (FSK).

[004] Os parâmetros utilizados para customização da modulação é um exemplo do formato dos símbolos em uma transmissão LoRa: Bandwidth (BW) - Largura de banda ocupada por um Chirp; Spreading Factor (SF) - Fator de espalhamento, influencia a duração do Chirp no tempo; e Code Rate (CR) - Taxa do código. Tais parâmetros podem influenciar na taxa de transmissão da modulação, em sua resistência a ruídos e na facilidade de decodificação, conforme necessidade da aplicação.

[005] A modulação LoRa pode ser utilizada para o envio de dados de forma customizada, porém a Semtech especificou um formato definido para facilitar a conexão entre transmissores e receptores, (identificação + payload). O preâmbulo é a identificação do início de uma mensagem, o cabeçalho (opcional), traz a informação do tamanho do payload e outras funções.

[006] Um acelerômetro é um dispositivo eletromecânico que mede as forças de aceleração. Estas forças podem ser estáticas, como força da gravidade ou dinâmicas, causadas pela movimentação ou vibração do acelerômetro.

[007] Giroscópio é um dispositivo cujo eixo de rotação mantém sempre a mesma direção na ausência de forças que o perturbem. Qual seja a direção do veículo que o conduz, é composto de um disco rígido ou um volante que gira em grande velocidade ao redor de um eixo de revolução e é suspenso de modo a ter liberdade de movimentos. Seu funcionamento baseia-se no princípio da inércia. O eixo em rotação tem um efeito de memória que guarda direção fixa em relação ao círculo máximo, dispensando as coordenadas geográficas.

[008] Um magnetômetro é formado por um conjunto de equipamentos utilizados para medir o momento magnético de uma amostra para um determinado valor de campo aplicado. O funcionamento básico pode ser descrito da seguinte forma: a fonte fornece corrente elétrica para as bobinas do eletroímã que geram um campo magnético na região onde se encontra a amostra. A amostra é magnetizada que, por sua vez, produz um campo induzido o qual é lido pelo sensor.

[009] O Sistema de Posicionamento Global (GPS), originalmente NAVSTAR GPS, é um sistema de navegação por rádio baseado em satélite. É um sistema global de navegação por satélite (GNSS) que fornece geolocalização e informações de tempo para um receptor GPS em qualquer lugar na ou perto da Terra, onde há uma linha de visão desobstruída para quatro ou mais GPS satélites.

[010] O LED é uma evolução dos displays com iluminação por LED. No lugar dos cristais líquidos do LCD, o LED conta com diodos orgânicos. Esse material é um polímero orgânico que pode ser colocado sem encapsulamento.

[011] Wi-Fi é uma marca registrada da Wi-Fi Alliance. É utilizada por produtos certificados que pertencem à classe de dispositivos de rede local sem fios (WLAN) baseados no padrão IEEE 802.11. Por causa do relacionamento íntimo com seu padrão de mesmo nome, o termo Wi-Fi é usado frequentemente como sinônimo para a tecnologia IEEE 802.11.

[012] O sistema GSM 900 utiliza dois conjuntos de frequências na banda dos 900 MHz: o primeiro nos 890-915MHz é utilizado para as transmissões do terminal, e o segundo nos 935-960MHZ, para as transmissões da rede. O método utilizado pelo GSM para gerir as frequências é uma combinação de duas tecnologias: o TDMA (Time Division Multiple Access) e o FDMA (Frequency Division Multiple Access). O FDMA divide os 25 MHz disponíveis de frequência em 124 canais com uma largura de 200 kHz e uma capacidade de transmissão de dados na ordem dos 270 Kbps. Uma ou mais destas frequências é ou são atribuídas a cada estação-base e dividida(s) novamente. Em termos de tempo, é utilizando o TDMA, em oito espaços de tempo (timeslots). O terminal utiliza um timeslot para recepção e outro para emissão. Eles encontram-se separados temporalmente para que o telemóvel não se encontre recebendo e transmitindo ao mesmo tempo. Esta divisão de tempo é chamada de full rate. As redes também podem dividir as frequências em 16 espaços, processo denominado como half-rate, mas, a qualidade da transmissão é inferior.

Novidades e objetivos da Invenção

[013] Diferentemente de outros dispositivos que tem o mesmo objetivo, a presente solução foca em garantir que a mensagem seja enviada ao seu destino, e o dispositivo além de escolher o método disponível, também conta com o método de repetição de sinais LoRa, onde um Node (dispositivo) vira um receptor, que recebe o sinal de outro Node e o retransmite caso esse não seja para ele. O diferencial seria principalmente o método de repetição de sinais que foi desenvolvido, onde o sinal é transmitido e não precisa necessariamente de um receptor final nas proximidades, pois o sinal é recebido e transmitido pelos outros comunicadores, e através dos mesmos chega até um posto de controle (receptor final). Além disso, a diferença está também no fato de que o próprio dispositivo consegue escolher qual o método de transmissão é mais adequado para a localidade que está escolhendo aquele que irá chegar com mais facilidade ao seu destino. O próprio dispositivo irá enviar os sinais de localização, podendo ser aplicado em animais como bovinos, mas também em qualquer outro objeto ou ser vivo. O sinal de localização é capturado e enviado a uma central de monitoramento que trata os dados.

Breve descrição das figuras

[013] A fim de que o presente invento seja plenamente compreendido e levado à prática por qualquer técnico deste setor tecnológico, o mesma será descrito de forma clara, concisa e suficiente, tendo como base os desenhos anexos, que a ilustram e subsidiam abaixo listados:
Figura 1 representa o esquema de funcionamento do dispositivo comunicador e repetidor;
Figura 2 representa uma vista em perspectiva do dispositivo.

Descrição detalhada da Invenção

[014] De maneira geral, a presente invenção trata de um dispositivo de comunicação e repetidor com comunicação sem fio. Essa comunicação é completa, e pode ser feita por GPS, Wi-Fi, Bluetooth, UHF de 433MHz a 928MHz (banda global livre ISM) e LoRa. O referido dispositivo possui uma bateria de longa duração, o que permite um longo período de uso de até 10 (dez) anos em algumas operações. É capaz de comunicar informações via LoRa, em grandes distâncias (de 5km a 10km), num campo aberto e sem barreiras naturais.

[015] O dispositivo é composto por cabo do carregador, porta serial USB (1), botões de reinicialização e seleção (2), botões para programação (3), sensor de pulso cardíaco (4), LEDs de pulso e de transmissão (5), sensor de temperatura e sensor de umidade (6), display OLED (7), LED Power (8), Antena UHF (9), e possui internamente bateria de polímero de lítio, sensor e módulos para expandir funções. O dispositivo possui um sistema composto por uma série de sensores: acelerômetro, giroscópio, magnetômetro, GPS, GNSS, temperatura, umidade, pressão, altímetro, sensor de luz; controladores (LED RGB, OLED Display, portas seriais) e rádios (Wi-Fi, Bluetooth, LoRa Radio, GSM).

[016] O dispositivo inclui muitos sensores que permitem o monitoramento de vários sinais e dados. Assim, é possível que essa solução seja usada desde o rastreamento de animais, pessoas ou até mesmo carros, etc. Uma das grandes vantagens é a vasta quantia de opções de comunicação, o que garante que a mensagem irá chegar ao seu destino. Afinal, mesmo que não estiver disponível, temos outras possibilidades de comunicação.

[017] A principal funcionalidade a ser apresentada é a função de repetidor, que de maneira resumida, funciona da seguinte forma: a carga a ser monitorada envia um dado para um destino, contudo, somente LoRa está disponível naquela área, mas não de maneira direta (destino a 40 km de distância). No entanto, cada uma das cargas a serem monitoradas, além de serem comunicadores, são também repetidores. Ou seja, quando um dado é enviado para um destino fora do alcance, o comunicador mais próximo captará a mensagem e tentará enviar para o destino. Dessa forma, vai seguindo até que a mensagem chegue ao seu destino, conforme demonstrado na Figura 1.

[018] O dispositivo usa de sinais vitais vindo de animais, captados através de sensores para monitoramento de variáveis fisiológicas como frequência cardíaca, frequência respiratória e temperatura corporal. Por exemplo, um sensor cardíaco tem por objetivo monitorar continuamente o estado de saúde do gado em rebanhos concentrados e distribuídos. Esses sinais são captados e convertidos, e assim enviados para o dispositivo gateway que trata a informação.

[019] O sistema de rede do dispositivo, para um maior rendimento e aproveitamento em campo, usa-se rede Mesh LoRa, criada com os próprios comunicadores e código fonte próprio que integra essa função e as demais.

[020] A repetição de um sinal LoRa recebido para os demais dispositivos conectados é uma solução única. O sinal recebido por um dispositivo, cujo sinal não seja destinado a ele, é reenviado para o dispositivo mais próximo, até que esse sinal chegue ao seu destino. Esse é o princípio de uma rede Mesh, no entanto, usando a modulação LoRa.

[021] O sistema de comunicação do dispositivo é capaz de detectar qual dos meios de comunicação estarão disponíveis e assim garantir que a mensagem chegue ao seu destino. A auto escolha do melhor e qual dos métodos estão disponíveis é feito via firmware.

[022] Já a vasta gama de sensores é capaz de criar um grande número de possíveis aplicações para o sistema, uma solução capaz de solucionar inúmeros problemas através do monitoramento de diversões sinais de uma carga.

[023] É importante salientar que as figuras e descrição realizadas não possuem o condão de limitar as formas de execução do conceito inventivo ora proposto, mas sim de ilustrar e tornar compreensíveis as inovações conceituais reveladas nesta solução. Desse modo, as descrições e imagens devem ser interpretadas de forma ilustrativa e não limitativa, podendo existir outras formas equivalentes ou análogas de implementação do conceito inventivo ora revelado e que não fujam do espectro de proteção delineado na solução proposta.

Claims (3)

1. COMUNICADOR E REPETIDOR PARA MONITARAMENTO DE OBJETOS E ANIMAIS VIA COMUNICAÇÃO SEM FIO dotado de cabo do carregador, e caracterizado por ser composto de porta serial USB (1), botões de reinicialização e seleção (2), botões para programação (3), sensor de pulso cardíaco (4), LEDs de pulso e de transmissão (5), sensor de temperatura e sensor de umidade (6), display OLED (7), LED Power (8), Antena UHF (9), e possuir internamente bateria de polímero de lítio, sensores e módulos.
2. COMUNICADOR E REPETIDOR, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado por possuir sensores como acelerômetro, giroscópio, magnetômetro, GPS, GNSS, pressão, altímetro e de iluminação; e controladores LED RGB, OLED Display e portas seriais; e rádios Wi-Fi, Bluetooth, LoRa Radio e GSM.
3. COMUNICADOR E REPETIDOR, de acordo com a reivindicação 1, e caracterizado pela comunicação ser feita por GPS, Wi-Fi, Bluetooth, UHF de 433MHz a 928MHz e LoRa.

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