Hub LoRaWAN com Raspberry Pi e RAK833

Este projeto surgiu da necessidade de criar um ponto concentrador para uma aplicação de monitoramento distribuído em campo, na qual diversos dispositivos remotos utilizavam comunicação LoRa e precisavam encaminhar seus dados para a infraestrutura local do cliente.

A solução fazia parte de um sistema maior, utilizado em aplicações de monitoramento remoto, e exigia um gateway capaz de receber os dados dos nós distribuídos, concentrá-los e entregá-los à rede Ethernet do cliente.

A ECK participou do desenvolvimento do hardware desse hub, integrando alimentação por PoE, interface Ethernet, Raspberry Pi e o concentrador LoRaWAN RAK833, além das proteções necessárias para instalação em ambiente externo.

Do LoRa em campo ao processamento local

A arquitetura do sistema era baseada em comunicação LoRa entre os dispositivos remotos e um ponto concentrador instalado em posição elevada.

Esse concentrador recebia os pacotes provenientes dos nós de campo e os encaminhava para a infraestrutura do cliente.

Na prática, o hub fazia a ponte entre a rede de rádio e a rede local.

Isso permitia que diversos dispositivos espalhados em uma área extensa transmitissem informações sem a necessidade de cabeamento individual até o ponto de processamento.

RAK833 como concentrador LoRaWAN

Para a camada de concentração LoRaWAN foi utilizado o RAK833 WisLink LPWAN Concentrator.

O RAK833 é um concentrador LoRaWAN baseado no SX1301, em formato mini PCIe, desenvolvido para integração em gateways e plataformas embarcadas.

Ele oferece múltiplos canais de recepção simultânea e foi utilizado em conjunto com um Raspberry Pi, que executava o software necessário para receber e encaminhar os dados da rede LoRaWAN.

A combinação entre RAK833 e Raspberry Pi permitia aproveitar bibliotecas e ferramentas já disponíveis para esse tipo de aplicação, reduzindo a complexidade do desenvolvimento da camada de protocolo.

Raspberry Pi como núcleo do gateway

O Raspberry Pi funcionava como núcleo de processamento do hub.

Ele recebia os dados do concentrador RAK833, tratava o fluxo de comunicação e encaminhava essas informações através da interface Ethernet para a rede local do cliente.

O processamento final das informações era realizado em um computador ou servidor localizado na própria instalação.

Essa arquitetura permitia separar o gateway de rádio da lógica específica da aplicação, mantendo o hub focado na recepção, concentração e encaminhamento dos dados.

Ethernet e alimentação por PoE

Um dos requisitos importantes do projeto era simplificar a instalação física do equipamento.

O hub era instalado em uma posição elevada, o que tornava pouco conveniente utilizar cabos separados para dados e alimentação.

Por isso, a entrada Ethernet utilizava PoE.

O mesmo cabo que fazia a comunicação de dados também fornecia a energia necessária para alimentar o Raspberry Pi, o concentrador e a eletrônica auxiliar.

Essa solução reduzia a quantidade de cabeamento e facilitava a instalação e a manutenção do equipamento.

Projeto para instalação em torre

Como o hub ficava instalado em ponto alto e exposto ao ambiente externo, a eletrônica precisava considerar condições mais severas do que uma aplicação interna convencional.

Foram incorporadas proteções contra surtos e descargas, especialmente nas interfaces que deixavam o equipamento exposto ao ambiente e ao cabeamento externo.

Esse cuidado era importante para aumentar a confiabilidade do conjunto e reduzir o risco de falhas provocadas por eventos elétricos e atmosféricos.

Integração entre rádio e rede local

Do ponto de vista funcional, o equipamento fazia a interligação entre dois domínios: dispositivos remotos transmitindo via LoRa e a infraestrutura Ethernet do cliente.

Os dados recebidos pelo concentrador eram tratados pelo Raspberry Pi e enviados para a rede local, onde o sistema do cliente realizava o processamento final.

Essa arquitetura permitia manter o sistema de rádio concentrado em um único ponto e integrar os dados recebidos diretamente à infraestrutura de TI já existente.

Desenvolvimento de hardware para gateway LoRaWAN

O papel da ECK foi transformar a combinação entre Raspberry Pi, concentrador RAK833, Ethernet e PoE em um equipamento utilizável em campo.

Isso envolveu o desenvolvimento da interface de alimentação, integração mecânica e elétrica dos módulos, conexão de rede e proteção adequada para operação externa.

O desafio não era simplesmente conectar módulos prontos, mas criar um produto robusto, instalável e adequado ao ambiente real de utilização.

Aplicação em sistemas distribuídos

Soluções baseadas em LoRa e LoRaWAN são particularmente adequadas para aplicações com muitos pontos remotos, baixo volume de dados e necessidade de comunicação a longas distâncias.

Nesse tipo de sistema, o gateway exerce uma função central: concentrar os dados recebidos de diversos nós e disponibilizá-los para processamento.

Este projeto mostra como essa função pode ser implementada utilizando um concentrador LoRaWAN dedicado, uma plataforma Linux embarcada e uma interface Ethernet com PoE.

A ECK desenvolveu o hardware necessário para transformar essa arquitetura em um hub pronto para operação em campo.

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