Políticas energéticas na IoT

As operadoras de telefonia mantêm que a sua tecnologia e infraestruturas podem suportar entre 10 – 15% dos dispositivos que o paradigma IoT tem previsto implementar através das suas soluções GPRS/3G/4G atuais. A tecnologia Wi-Fi pode abranger outra percentagem importante, mas é evidente que, para os ambientes não alimentados – não só nas Smart Cities, mas também nas infraestruturas ou no ambiente agrícola – ambas as possibilidades não são a solução.

A IoT tem grandes desafios pela frente, sem dúvida. Gus Vos – Chief Engineer da Sierra Wireless – resume-os muito bem nas chamadas 3 C’s – Cost (Preço), Current (Consumo energético) and Coverage (Cobertura) –, pessoalmente, vendo o problema que pode supor, acrescentaria uma quarta C, a de Cybersecurity (Cibersegurança).

No que diz respeito ao consumo energético, otimizá-lo nos sistemas não alimentados é essencial para a viabilidade das redes sem fios. Uma má utilização de tecnologia ou dispositivos derivará, a curto ou médio prazo, em custos incomportáveis para a sua manutenção. Num sistema com centenas ou milhares de pontos dispersos alimentados com baterias, a troca destas pode supor um gasto em tempo e dinheiro nada desprezável. Por isso, independentemente das tecnologias escolhidas, os equipamentos da nossa rede IoT devem seguir o seguinte conjunto de políticas com o fim de aumentar o tempo de vida útil das baterias sempre que possível:

• MODO DE TRABALHO: O estado normal de um nó deve ser de hibernação, ou seja, praticamente desligado. Apenas deve estar sempre ativo o sistema que lhe permite despertar perante um estímulo. Uma vez que este se produz, o nó ativa-se completamente e realiza as funções que tem programadas, tipicamente adquirir uma informação, processá-la e enviá-la.

• ESTRATÉGIA: Priorizar o uso de PUSH relativamente ao PULL, desta maneira o nó assegura transmitir informação útil. Evita-se ter de ir ativando o nó periodicamente sem que isto implique novos dados.

• ESCRITA: O problema de uma estratégia PUSH é que impossibilita a escrita de parâmetros. Se isto for necessário, aplica-se um procedimento onde o nó periodicamente – uma vez ao dia, à semana, ao mês… – pergunta ao seu Gateway se quer escrever sobre ele. Se não receber resposta imediatamente, fecha a comunicação e volta ao estado de hibernação. Se o Gateway tiver de alterar algum parâmetro, imediatamente lhe responde com a mensagem. Uma vez que o nó a recebe, processa-a, aplica a alteração e volta a hibernar.

• ARQUITETURA: Deve garantir-se que, por cada transmissão de informação, seja necessário ativar o mínimo número de nós. Isto implica que, acima de arquiteturas de malha ou árvore, se deve priorizar a arquitetura estrela, já que o nó envia a informação diretamente para o Gateway.

• COMUNICAÇÃO: Devem minimizar-se os tempos de transmissão, já que implicam ter o nó ativo e a gerar um sinal. É um momento de grande consumo. Por isso, deve enviar-se o número mínimo de mensagens – sempre garantindo o seu envio e receção – e à máxima velocidade possível. Isto implica que é melhor enviar uma única mensagem grande do que três mais pequenas e sempre à máxima velocidade que o canal permita.

• CÓDIGO: O código de programação do nó deve estar otimizado, minimizando as linhas de código a executar, já que, tipicamente, cada processador executa cada linha de comando a uma velocidade periódica – que varia entre 1 e 1000 μs. Por isso, qualquer conjunto de instruções que se possa reduzir implicará menos tempo de ativação do nó. Evidentemente, qualquer instrução que deixe o dispositivo em espera – por exemplo, uma estrutura WHILE – estão altamente desaconselhadas. Se forem utilizadas, devem sempre ter uma saída do ciclo por motivos de timeouts.

• POSSÍVEL FONTE DE ALIMENTAÇÃO: Dependendo da tipologia do sinal recolhido e medido, é possível extrair energia dele com o fim de alimentar o nó. Implica umas camadas adicionais ao nó de aquisição e retificação do sinal, mas supõe uma grande vantagem em caso de obter um nível aceitável de energia. Para poder fazê-lo, devem cumprir-se duas condições. A primeira é que o sinal adquirido o permita, ou seja, é possível fazê-lo se se estiverem a medir temperaturas ou pressões, mas é mais complicado se o sinal recolhido for humidade ou poluição. A segunda condição é que a aquisição não afete a sua medida. A veracidade da informação prioriza sobre a alimentação do nó.

• AVISOS: O nó deve transmitir o nível de bateria em cada mensagem ou quando este baixe de certo limiar. Não é uma política de poupança energética como tal, mas pode ajudar a tomar decisões, quer sejam de escrita dos seus parâmetros – baixar a frequência de envio de informação – quer para poder planificar tarefas de manutenção preventiva.

Seguramente qualquer rede de dispositivos que não cumpra em grande medida estas características estará destinada a apresentar grandes problemas. Agora bem, tão importante é que os dispositivos estejam focados na poupança energética como que a tecnologia utilizada para a transmissão de informação seja a acertada. Recordem-se, uma transmissão de informação por 3G/4G consome 2500 vezes mais energia do que uma baseada em IEEE 802.15.4.

Se quiser saber mais como abordar projetos de engenharia com IoT, visite esta entrada do nosso blogue: