IC: Estudo da Comunicação LoRA Aplicada à Robótica

Título Completo: Estudo da Comunicação LORA Aplicada à Robótica
Orientado: Otávio Augusto Rocha da Cruz
Categoria: Robótica / Redes de Comunicação
Data de Conclusão: 09/2020 – PIBIC

Os robôs móveis autônomos podem possuir um sistema de comunicação para troca de informação entre robôs (principalmente em sistemas cooperativos) ou para transmitir suas informações para uma estação base. É importante que esse sistema seja adequado, ou seja, que não interfira de forma negativa na tarefa do robô.

A comunicação pode ocorrer de diversas formas, sendo que ao focarmos na comunicação sem fio, temos um grande leque de possibilidades de protocolos de comunicação como o Wi-Fi (IEEE 802.11 g/n), o LoRa, o ZigBee (IEEE 802.15.4) e o Bluetooth (IEEE 802.15).

Dentre as tecnologias sem fio, o LoRa (abreviação de Long Range), é uma tecnologia de comunicação de dados digital LPWAN, de longo alcance com baixo consumo de energia, alta sensibilidade, fácil instalação e de baixo custo financeiro.

Essa tecnologia, vem sendo aplicada em cidades ambiente inteligentes, saúde, indústria, casas e edifícios inteligentes e, principalmente, no meio rural por ser um local onde geralmente requer maiores distâncias.

Ao considerar uma aplicação da robótica na agricultura por exemplo, é possível ocorrer o caso onde o sistema de comunicação adotado para comunicação entre os robôs seja o Lora, sendo necessário avaliar o impacto do protocolo nos robôs. Desta forma, é proposto neste trabalho uma avaliação inicial da comunicação LoRa para o controle de um robô à longas distâncias.

Robô controlado via módulo LoRa.

O hardware para a comunicação LoRa escolhido para realização desta pesquisa é o OLED LoRa/Esp32 da Heltec. Ele foi escolhido devido sua versatilidade e praticidade, já que possibilita a visualização de resultados em seu display, possui comunicação LoRa, WiFi e Bluetooth, possibilita o uso de bateria externa (o que ajuda em trabalhos de campo), além de ser relativamente pequeno. Utilizou-se a plataforma Arduino como IDE.

Módulo LoRa da Heltec.

Existem diversos parâmetros na comunicação LoRa que podem ser definidos durante sua configuração. Estes parâmetros impactam na qualidade do sistema (BER, RSSI, Delay e SNR). Consequentemente, os parâmetros LoRa escolhidos para variar e, posteriormente, avaliar o impacto, são os que influenciam os parâmetros de qualidade que se deseja potencializar, sendo eles:

• Bandwidth: 7.8 KHz, 41.7 KHz, 62.5 KHz e 250 KHz;

• Fator de espalhamento: 7, 8 e 10;

• Coding Rate: 1 e 4.

Na figura a seguir é mostrado o setup dos experimentos iniciais. Optou-se pela seguinte lógica de trabalho: o transceiver 1 envia o comando para transceiver 2, que por sua vez, reenvia o comando para o transceiver 1. Preferiu-se desta forma, principalmente, devido ao cálculo do delay, que pode ser facilmente calculado via comando micros(). O procedimento será repetido para lugares diferentes, com distâncias diferentes.

Sistema inicial para avaliação do protocolo.

Dentre as métricas utilizadas, destacam-se o SNR e o RSSI, obtidos a partir de comandos da biblioteca fornecida pela empresa do módulo, o erro (perda de pacote) e o delay (atraso). Para o cálculo do delay, considera-se todo o trajeto, ou seja, ida e volta.

Foram planejados diversos experimentos, avaliando as combinações de parâmetros e a distância entre os módulos. Todos os experimentos foram realizados na cidade de Patos de Minas, sendo avaliado também o caso em perímetro urbano (com prédios no caminho) e ao longo de uma avenida sem barreiras entre os módulos. Além destes experimentos, foi feito um teste final de controle de um robô móvel via comunicação LoRa.

Exemplo de planejamento das distâncias via Google Maps.

No entanto, devido à pandemia, houve uma redução na quantidade de experimentos que foram de fato realizados. Mas em resumo, os resultados foram satisfatórios para controle do robô em até 1Km em áreas abertas sem obstáculos. Já no caso do perímetro urbano, a comunicação não foi satisfatória nem para 100m, demonstrando que a comunicação LoRa pode ser utilizada com robôs em grandes distâncias, desde que não haja obstáculos e desde que as antenas sejam escolhidas adequadamente.

Fotos dos testes realizados em campo.

Os resultados detalhados dos experimentos serão divulgados em um artigo (em confecção) e após sua publicação, os mesmos serão adicionados no site junto com o relatório final da IC.