Aula04

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PROJETOS DE REDES II – 
REDES DE SERVIÇO 
AULA 4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Prof. Gian Carlo Brustolin 
 
 
 
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CONVERSA INICIAL 
PROJETOS DE REDES PARA AGRONEGÓCIO 
O agronegócio brasileiro tem alcançado sucesso inquestionável, 
tornando-se cada dia mais representativo na economia nacional. O crescimento 
populacional e a necessária preservação do meio ambiente apelam para uma 
produção limpa e eficiente. Tendo em vista a dimensão do território brasileiro, o 
investimento em renovação tecnológica deve ser crescente e contínuo nas 
aplicações do agronegócio (Formaggio; Sanches, 2017). 
Do ponto de vista de redes, o agronegócio tem exigências similares ao 
ambiente industrial anterior à popularização do protocolo TCP/IP para o 
ambiente de chão de fábrica. As primeiras redes de controle e automação 
industrial prescindiam de um resiliente sistema de comunicação entre sensores. 
Protocolos de baixa velocidade e alta disponibilidade ganharam espaço até que, 
como já comentamos, as redes TCP/IP e os protocolos de comunicação sem fio 
de alto desempenho – baseados principalmente nos padrões IEEE 802.11 – 
ganharam a necessária robustez. 
Nas aplicações do agronegócio, as redes hierarquizadas e principalmente 
a comunicação baseada em wi-fi ainda não são operacionais para as redes de 
coleta de dados. As ditas redes de sensoriamento (wireless sensor network – 
WSN), ainda usadas em muitas instalações industriais, são por hora a solução 
mais viável. 
A escolha de WSNs se dá não apenas pela característica de presença de 
boas quantidades de sensores para aplicações em agricultura e pecuária, mas 
também porque essa aplicação necessita de equipamentos resistentes às 
agruras do campo e adaptáveis à parca infraestrutura de telecomunicações 
típica de áreas despovoadas. Redes para essa aplicação devem ser resilientes 
(dadas as dificuldades de manutenção) e contar com baixíssimo consumo de 
emergia para operar, uma vez que dificilmente se encontrará energia elétrica 
disponível para alimentar os sensores e transdutores de rede. 
Os padrões ZigBee e LoRa se adaptam bem às necessidades de redes 
rurais. Os padrões IEE 802.11, comuns nas demais aplicações, dependem de 
adequações para o agronegócio, a exemplo da utilização de delay and disruption 
tolerant networks (DTN), uma vez que apresentam fragilidades nativas da 
 
 
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topologia-estrela quando operadas em ambientes amplos e agressivos (Ferreira 
et al., 2019). 
Também devemos comentar que a conexão da rede à internet apresenta 
os mesmos desafios. Tecnologias de acesso de baixa dependência de 
cabeamento serão mais aplicáveis. Dessa forma, conexões satelitais e de rádio 
de longo alcance reencontram seu espaço nessas aplicações. 
Com essas questões em mente, uma pequena revisão sobre redes mesh 
e WSN – especialmente ZigBee e LoRa – será necessária para apresentarmos, 
posteriormente, as especificidades da rede. 
TEMA 1 – REDES WSN, ZIGBEE E LORA 
Tipicamente, redes WSN (ou redes de sensoriamento) foram criadas para 
aplicação industrial. Como já comentamos, essa aplicação visa reduzir custos, 
portanto, as WSNs de última geração tendem a ser longevas, de baixo consumo 
de energia, fáceis de manter e com baixa taxa de falhas (Ko et al., 2010). Essas 
características, como veremos em maiores detalhes, a tornam a opção natural 
para o agronegócio. 
1.1 WNM 
Uma solução usual para implementar WSNs são as redes mesh, ditas 
então wireless mesh network (WMN). São redes nas quais a topologia típica 
hierárquica (do TCP/IP, por exemplo) é rompida. Cada nó da rede pode, 
hipoteticamente, ser um pequeno roteador dinâmico. Esses nós terão a função 
de repetidores, e podem se conectar simultaneamente a vários outros nós 
roteadores (Akyildiz; Wang; Wang, 2005). Então, o cliente se conecta livremente 
a qualquer nó, seja ele roteador ou não. Nesse sentido, as redes mesh são 
classificadas como redes wireless ad hoc. 
Há vários protocolos de roteamento aplicáveis a redes sem fio ad hoc. 
Nas implementações mesh, buscam-se os que têm por característica o 
remapeamento automático tanto para buscar o melhor caminho como em caso 
de falha. Essa característica é importante, dada a constante (e provável) 
alteração de topologia por acréscimos de pontos de acesso (novos nós). 
 
 
 
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1.1.1 Arquitetura mesh 
Os nós WMN podem ser coordenadores, roteadores ou clientes. Nós 
roteadores – ou full fuction devices (FFDs) – podem se conectar diretamente aos 
usuários, cumprindo dupla função. Nós clientes – ou reduced function devices 
(RFDs) –, por outro lado, têm facilidades reduzidas de HW e SW (e menor custo), 
e têm a finalidade exclusiva de acesso para os usuários. Implementações 
suplementares de SW e HW dão ao nó roteador, além da capacidade de 
roteamento trivial, possíveis facilidades de operar como bridge e gateway, e 
múltiplas interfaces garantem a maior flexibilidade e interconectividade. 
Esses nós, então, serão ditos coordenadores. A Figura 1 ilustra suas 
funções estruturais. 
Figura 1 – Redes mesh 
 
 Fonte: Brustolin, 2020, com base em ZigBee, [S.d.]. 
Do ponto de vista de topologia, temos três casos. A Figura 2 ilustra o uso 
de meshing backbone. Nesse caso, toda a infraestrutura depende do roteamento 
mesh, sendo uma topologia viável, porém pouco usada, dada a complexidade 
dos protocolos para o trânsito alto de dados. Seu estudo, no entanto, é 
interessante para permitir interconexões proprietárias em redes rurais. 
 
 
 
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Figura 2 – Rede mesh backbone 
 
 Fonte: Akyildiz; Wang; Wang, 2005. 
A topologia mesh cliente utiliza o protocolo para a rede local, conforme a 
Figura 3. Naturalmente, será possível integrar a LAN mesh com o backbone 
mesh. A essa integração damos o nome de topologia híbrida. 
Figura 3 – Rede mesh cliente 
 
 Fonte: Akyildiz; Wang; Wang, 2005. 
O objetivo principal dos protocolos de WMN é estender a cobertura de 
rede sem fio mesmo sem visada direta; ou seja, graças à característica multi-hop 
de roteamento, a rede utiliza os nós como repetidores de sinal, permitindo ampla 
cobertura sem a necessidade de elevadas potências de transmissão. 
 
 
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A topologia mesh terá nós coordenadores, que farão a gerência da rede, 
e nós roteadores, que podem estar conectados diretamente aos usuários, 
acumulando a função de roteamento 
Nos anos 1970, os protocolos desenvolvidos especialmente para redes 
mesh nunca foram plenamente utilizados. A consolidação das aplicações IoT, no 
entanto, reavivou a discussão, e os protocolos passaram a ser adaptados por 
sua flexibilidade com esses sensores e acionadores, como é o caso do ZigBee 
(Liu, 2017). 
1.2 ZigBee 
O ZigBee, cujo protocolo de comunicação foi padronizado pelo IEEE na 
Norma 802.15.4, é uma implementação de redes mesh (embora possa operar 
também em estrela ou árvore) capaz de cobrir vastas áreas com baixo consumo 
e alta resiliência. O tráfego de dados, entretanto, precisa ser limitado (Liu, 2017); 
também é necessário se ater a delays dos pacotes transitados. 
As taxas típicas de transmissão estão entre 20 e 250 kbps, com boa 
imunidade a ruídos e interferências. O baixo consumo é obtido pela característica 
topológica, que permite retransmitir a mensagem pelos nós próximos, 
demandando baixas potências de transmissão e também pela facilidade 
configurável do modo sleep de operação. Nesse modo, o dispositivo reduz 
drasticamente seu consumo de energia quando não está a transmitir dados. 
As implementações ZigBee têm aproximadamente as mesmas camadas 
do TCP/IP; ou seja, resumem o modelo completo OSI, de sete camadas. A 
camada física e de enlace de dados dos dispositivos ZigBee é constituída, como 
já comentado, segundo o padrão IEEE 802.11.4. Os rádios operam nas faixas 
não licenciadas ISM de 2.400 a 2.4835 MHz, com 16 canais disponíveis de até 
250 kbps, modulados por offset quadrature phase-shift keying (O-QPSK). 
A camada deenlace utiliza estratégias de prevenção de colisão carrier 
sense multiple access – collision avoidance (CSMA-CA) que silenciam a 
transmissão em momento de interferência. Essa camada controla o duty-time 
dos beacons, explicados a seguir. A próxima camada será a de rede, cujo 
protocolo de roteamento é padronizado pela ZigBee Alliance – batizada de NWK. 
Nela estão os algoritmos de descoberta de novos dispositivos, rotas, 
endereçamento e encaminhamento de informação. 
 
 
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Finalmente, temos uma camada de aplicação dividida em três 
subcamadas: 
1. Application support sub-layer (APS), de uso interno ao protocolo; 
2. ZigBee device object (ZDO), que “traduz” as aplicações para os 
dispositivos; 
3. Application framework (AF), que é o ambiente das facilidades de uso do 
dispositivo. 
A Figura 4 ilustra as três camadas ZigBee. 
Figura 4 – Camadas ZigBee 
 
 
 Fonte: ZigBee, [S.d.]. 
O protocolo de gerenciamento da rede permite a autoconfiguração, cuja 
sequência se inicia pela iluminação do nó coordenador, que buscará espectro 
disponível para operar nas suas proximidades. Quando um nó roteador se 
habilitar, ele buscará uma rede (espectro ocupado por um nó coordenador) que 
a ele se conectará, recebendo um endereço de rede de 16 bits. Os nós clientes, 
ao serem habilitados, buscarão um nó roteador nas proximidades e a ele se 
conectarão, recebendo também um endereço, gerenciado pelo nó a que se 
conectou, mas gerado pelo coordenador. 
Embora cada dispositivo tenha um endereço MAC único, a comunicação 
e o endereçamento na rede mesh criada se darão unicamente pelos endereços 
distribuídos pelo coordenador e roteador da rede. Na eventualidade da remoção 
 
 
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de um nó qualquer, a rede guarda a capacidade de self-healing, ou seja, 
reconfigura-se e permite o roteamento para todos os destinos disponíveis, sem 
interferência do operador. 
A operação da rede autoconfigurada pode se dar em dois modos: 
beaconing e non-beaconing. No primeiro caso, a cada intervalo de tempo, os 
nós roteadores enviam beacons (mensagens) informando sua presença aos 
demais nós, e o intervalo entre beacons pode variar entre 15,36 e 251,65 ms –
intervalo chamado de duty cycle. Esse modo permite “desligar” os nós entre 
beacons. No segundo modo (non-beaconing), os dispositivos devem manter os 
receptores permanentemente ligados. 
O nó coordenador deve gerenciar a rede, e assim terá múltiplas funções, 
como inicializar a rede, admitir nós, alocar endereços, memorizar mensagens 
(enquanto aguarda a disponibilidade de entrega), manutenção (ou 
reconfiguração) da rede e interconexão com outros coordenadores. Dessa 
forma, esse FFD terá uma necessidade importante de alimentação, posto que 
deverá ficar ligado permanentemente. O nó roteador terá necessidade um pouco 
menos significativa, porém algum cuidado deverá ser tomado para garantir a 
alimentação em caso de falha da fonte principal. 
1.3 LoRa 
LoRa é uma tecnologia de hardware e software (LoRaWAN) desenvolvida 
pela Semtech para atender ao conceito de low-power wide-area networks 
(LPWANs), ou seja, redes de longo alcance e baixo consumo. Dessa forma, de 
maneira díspar ao uso do ZigBee, o LoRa soluciona o problema da distância 
entre dispositivos de maneira nativa, e não pela inserção de nós repetidores. A 
extensão da cobertura é possível pelo uso do algoritmo chirp-spread-spectrum 
(CSS) de modulação, e não do FSK (e suas variações), que busca maximizar a 
taxa de transmissão. Restrições de velocidade e de latência de pacotes, no 
entanto, são igualmente aplicáveis e um pouco mais severas que no caso 
anterior. 
As camadas do protocolo são semelhantes às do ZigBee. A camada física 
do protocolo LoRaWAN implementa, associado ao CSS, um processo de 
correção de erro chamado forward error correction (FEC), que permite operar 
mesmo em ambientes nos quais o nível do sinal transmitido esteja abaixo do 
 
 
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ruído presente. Essa facilidade possibilita baixíssimos níveis de transmissão e, 
consequentemente, de consumo. 
A distância típica entre terminais é medida em quilômetros e, a depender 
da topografia, pode chegar sem dificuldades a 8 quilômetros (Marais; Malekian; 
Abu-Mahfouz, 2017). As frequências de operação estão na faixa de 902 a 928 
MHz, e a largura de banda é programável: 125 kHz, 250 kHz. Outros setups são 
necessários para que a camada opere, convenientemente, o fator de 
espalhamento (que define a modulação e permite a operação de vários canais 
simultaneamente) e a taxa de codificação (que define a redundância para o 
FEC). A taxa de transmissão máxima, dependendo das configurações, varia 
entre 0,3 e 50 kbps (LoRa, 2018). 
A camada de controle de acesso ao meio e roteamento (LoRa MAC, pelo 
fabricante) controla as mensagens, respeitando as regras de transmissão e 
recepção segundo a classe de dispositivos. Um dispositivo, após transmitir uma 
mensagem, aguarda uma transmissão de aceitação do servidor. Se essa 
mensagem não ocorrer, no novo duty cycle o terminal retransmite a mensagem. 
A Figura 5 ilustra a disposição das camadas em equipamentos LoRa. 
Figura 5 – Camadas LoRaWAN 
 
 Fonte: LoRa, 2018. 
O desenho da rede LoRa é uma estrela de estrelas, ou seja: um terminal 
está conectado num gateway, e os gateways estarão conectados a um servidor 
central de rede. O servidor central controla as potências e a taxa de transmissão 
dos terminais de acesso, priorizando sua economia de energia; essa estratégia 
é chamada adaptive data rate (ADR). Os terminais respeitam três regras básicas 
de operação: a troca randômica de frequência portadora (agregando robustez à 
transmissão); respeito ao duty cycle da rede; e o respeito ao intervalo temporal 
de transmissão (dwell time) determinado pela rede. 
 
 
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Os terminais LoRa são divididos em três classes: a Classe A inclui 
terminais mais simples, que se comunicam com o servidor seguindo as regras 
supracitadas e, apenas quando necessitam, permanecem desligados o restante 
do tempo; a comunicação proveniente do servidor precisa aguardar o dwell time 
para, em seguida, ocorrer. A Classe B conta com terminais capazes de receber 
beacons do servidor a cada duty time. A Classe C é composta de terminais que 
fazem comunicação half duplex assíncrona com o servidor. 
TEMA 2 – CARACTERÍSTICAS FÍSICAS DA OPERAÇÃO 
A atividade econômica ligada ao campo, chamada genericamente de 
agronegócio, congrega a agricultura, horticultura, pecuária e atividades 
econômicas correlatas, a exemplo de silagem, fornecimento de sementes, 
defensivos e equipamentos. Essa atividade demanda facilidades tecnológicas 
com características particulares, em virtude da operação em regiões de acesso 
limitado, amplas o suficiente para que deslocamentos frequentes para 
manutenção inviabilizem economicamente soluções tradicionais. 
O uso de tecnologia da informação no agronegócio é um tema de poucas 
décadas, porém os resultados de maximização da produtividade justificam os 
esforços de engenharia. Áreas de estudo como agricultura de precisão, pecuária 
e zootecnia de precisão (além de informações geográficas) podem trazer ao 
negócio incrementos de produtividade não concebíveis sem a presença da 
tecnologia (Cocaro; Jesus, 2018). Ainda, a questão da rastreabilidade dos 
produtos – tradicional nos processos industriais – passa a ser importante 
também para a produção agropecuária. Assim, sistemas que permitam rastrear 
insumos e produção fazem parte do dia a dia do produtor rural, e saber se 
determinada ração tem atendido às necessidades nutricionais do rebanho é uma 
informação que diferenciará a carne de boa qualidade (e melhor preço no 
mercado) daquela medíocre. Exemplo é o Sistema Brasileiro de Identificação e 
Certificação de Origem Bovina e Bubalina (Sisbov), que rastreia carnes para 
exportação. 
Rastrear insumos e monitorar o rebanho exige equipamentos simples e 
baratos, mas de alta tecnologia embarcada.Sensores passivos podem ser 
inseridos em animais, permitindo a leitura quase em tempo real da saúde e 
evolução do rebanho. Da mesma forma, sensores inseridos no substrato de 
cultura agrícola permitem acompanhar dados do solo, como umidade, acidez, 
 
 
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presença de nitratos e fosfatos, facultando ao agrônomo a correção rápida do 
solo para adequação à cultura presente. Esses sensores precisam de uma rede 
de coleta e uma rede de comunicação dispersa na propriedade rural, uma vez 
que a área típica de amostragem para agricultura de precisão é próxima a 
apenas 100 m2 (Shanwad et al., 2012). 
Os terminais, no caso de sensoriamento de solo, se implantam em meio 
às culturas e precisam resistir convenientemente às intempéries. Chuvas, 
insolação, baixas temperaturas, umidade e descargas atmosféricas são 
exemplos do ambiente. A baixa disponibilidade de fontes de alimentação e o 
relativo alto custo de alimentação solar são outros fatores físicos que limitam a 
escolha de equipamentos para o projeto da rede. 
Situação semelhante ocorre na rede de coleta de dados de rebanhos. 
Sensores implantados no gado conectam-se a equipamentos de captura de 
dados. A rede de coleta enfrentará as mesmas dificuldades ambientais 
supracitadas. 
TEMA 3 – NATUREZA DA OPERAÇÃO E NORMAS TÉCNICAS OBSERVÁVEIS 
Dadas as características físicas da operação na produção agropecuária, 
as redes devem apresentar desenho particular. A seguir discutiremos 
brevemente alguns aspectos importantes: 
• Interoperabilidade: embora o protocolo TCP/IP, como já foi justificado, 
não seja o protocolo-padrão de comunicação, é necessário conectar as 
redes WSNs e multiprotocolos a redes TCP/IP, seja na integração dos 
dados coletados a serviços de ERP, seja para permitir o transporte pela 
internet. Dessa forma, ao projetar a rede TCP/IP – em que os dados serão 
tratados –, é necessário considerar a multiplicidade de protocolos da 
WSN; 
• Performance: as WSNs descritas, com suas tendências de uso na 
agroinformática, tipicamente têm baixa velocidade de transmissão e alta 
resiliência. Taxas baixas de transmissão são condições atípicas para as 
redes de alta performance atuais. Dessa forma, as aplicações genéricas 
raramente “entendem” os lentos duty cycles de transmissão e recepção 
característicos. Portanto, o projeto da etapa de interconexão deve 
implementar processos de proxi para retirar a sincronicidade entre as 
 
 
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demandas da rede TCP de aplicação e os protocolos da WSN de alta 
latência, que atendem aos sensores e controladores, evitando-se assim 
que a aplicação falhe; 
• Disponibilidade: a rede de sensoriamento (WSN) deve ser resiliente e 
tolerante a falhas. Implementações de correção ou prevenção de erros 
são indicadas, mas por hora não há preocupação direta com a 
disponibilidade. Naturalmente, conforme as facilidades evoluem e novos 
acionadores e controladores IoT são disponibilizados no mercado, 
aplicações de maior criticidade podem surgir, com a evolução 
concomitante dos custos financeiros diretos ligados à indisponibilidade da 
rede. Controladores de comportas em reservatórios de dessedentação de 
animais em caso de falha, por exemplo, oferecem riscos ao meio ambiente 
e, consequentemente, ao rebanho; por hora, entretanto, isso deve ser 
uma preocupação acessória de projeto. A alimentação dos equipamentos 
controladores ou servidores é um fator importante para o sucesso da 
WSN. Selecionar fontes redundantes e buscar soluções de geração 
autônoma de energia permite a operação mesmo em condições de falta 
de suprimento de energia elétrica pela concessionária, quando está 
presente; 
• Manutenção e gerenciamento: a rede WSN para a agropecuária é 
mantida por pessoas normalmente pouco qualificadas. Dessa forma, 
facilidades de autoconfiguração e autotestes são imprescindíveis para a 
rede ao longo da operação. Associados a essa escolha, equipamentos 
para estoque reserva (cold-standby) e módulos de manutenção 
(spare parts), considerando o tempo de aquisição e transporte em 
contingência, manterão a operação da rede em níveis aceitáveis; 
• Segurança: WSNs agropecuárias são aplicações de IoT; as fragilidades 
de segurança de redes que envolvem IoT emergem nessas redes. 
Aplicações de gerenciamento de sensores e acionadores não totalmente 
conhecidos pelo projetista e operador da rede oferecem riscos à 
segurança e à acuidade das informações coletadas. O isolamento da rede 
WSN da rede de aplicação TCP e do mundo externo deve ser objeto de 
um projeto cuidadoso, dada a dificuldade de justificar custos de segurança 
aos clientes. Soluções de menor flexibilidade atendem a tais restrições. A 
segregação por DMZ é indicada, porque resolve simultaneamente os 
 
 
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problemas de segurança e de dessincronização necessária entre a rede 
de sensoriamento e a de controle. A conexão entre as WSNs e o restante 
da operação deve se dar somente pelo servidor proxi contido na DMZ. 
Ainda não existem normatizações específicas para redes em áreas rurais. 
Pode-se aplicar, subsidiariamente, as normas ligadas à implantação de 
equipamentos eletrônicos de rede em instalações industriais em função dos 
padrões de protocolo escolhidos, a exemplo da IEC 61158:2014, que 
estabelece, entre outros itens, as exigências de rede para obter níveis mínimos 
de integridade de dados e interoperabilidade. Deve-se, entretanto, guardar o 
necessário distanciamento de regras no interior das normas, fundadas nos 
ambientes fabris propriamente ditos. 
No segmento administrativo da rede (TCP/IP), merecem atenção as 
normas de cabeamento, anteriormente citadas no capítulo sobre redes 
corporativas, principalmente no que se refere a instalações ao ar livre. 
TEMA 4 – MEIO AMBIENTE E SUSTENTABILIDADE 
As redes de WSNs apropriadas ao uso na agropecuária têm impacto 
ambiental desprezível em relação às demais atividades do agronegócio. Por 
outro lado, a otimização e o ganho de produtividade que a agroinformática pode 
levar a essa atividade econômica são impressionantes e, nesse aspecto, 
produzir resultados positivos para o meio ambiente também. 
Aplicações de agricultura de precisão dosam as necessidades de 
fertilização de forma pontual, impedindo a utilização indiscriminada de 
fertilizantes. A dosagem de fertilizantes é normalmente dimensionada pelo 
fornecedor das sementes segundo médias para os tipos de solo em área de 
baixa fertilidade ou por análise agronômica, em função de amostras aleatórias, 
colhidas na propriedade. 
Em ambos os casos, as dosagens são sempre excessivas, posto que 
devem suprir o pior caso, já que não temos dados objetivos das variações 
necessárias de dosagem. O excesso de fertilizantes, principalmente nitratos e 
fosfatos, lixiviados, depositam-se nos corpos hídricos próximos, acelerando a 
eutrofização, eliminando o oxigênio livre nas águas e desequilibrando o 
ecossistema (Braga, 2006). Alocações de sensores, segundo estudo 
agronômico para obter amostragens por tipos de região, permitem a aplicação 
 
 
14 
“cirúrgica” dos suplementos de fertilização, gerando economia de insumos e 
reduzindo a deposição por lixiviamento. 
Outra importante evolução da agricultura de precisão é a irrigação 
controlada. Do ponto de vista ambiental, o uso da água para irrigação representa 
o principal consumo hídrico em relação às demais atividades antrópicas (Braga, 
2006). Irrigar de maneira controlada e dosada representa um significativo 
benefício ambiental, conservando o volume dos corpos hídricos e o equilíbrio do 
ecossistema do entorno. 
Dessa forma, o foco no desenho da WSN, em relação à sustentabilidade, 
não deve ser – como nas demais redes estudadas – a seleção de equipamentos 
longevos e recicláveis. O foco se desloca para a eficiência da rede, respeitando 
uma arquitetura física que dependerá de análise multidisciplinar, com o 
envolvimento de profissionais ligados à eficiência da produção agropecuária.Por outro lado, dada a natureza da operação (tema já explorado), o 
desenho de rede e de seus equipamentos deve coibir as manutenções 
constantes. Dessa forma, a escolha de equipamentos que permitam manutenção 
facilitada e de alto TMeF é imprescindível, e estudos de dimensionamento de 
spare parts devem acompanhar o projeto. 
TEMA 5 – ARQUITETURAS 
Uma estrutura de rede para aplicação na agropecuária tipicamente 
contará com redes de sensoriamento e, eventualmente, acionamento (IoT) – 
outro segmento de rede de controle no qual estarão o ERP e os repositórios de 
dados. Esse segundo segmento equivalerá a uma rede empresarial, conforme já 
descrevemos, com a eventual diferença da dificuldade de obtenção de meio de 
acesso à internet e com ainda maior dificuldade de interconexão – outra 
propriedade do mesmo investidor. Propriedades rurais de grande porte 
raramente são atendidas por provedores de internet de alta velocidade. Portanto, 
soluções satelitais ou sem fio, fornecidas por operadoras celulares ou rádios 
dedicados, implantados por particulares, são as soluções mais prováveis. 
Antes de tratarmos das redes de sensores, vamos olhar as 
particularidades dessa rede de aplicações. 
 
 
 
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5.1 Rede empresarial de aplicação 
A rede de aplicação, de maneira geral, não será de grande porte, tratando-
se de um ou alguns servidores locais e algumas máquinas de usuários, 
normalmente localizadas na sede da propriedade rural. A solução de rede será 
normalmente cabeada, com especial cuidado às especificações físicas desse 
cabeamento, caso haja barracões próximos na localidade, mas desconectados 
fisicamente. Essa seleção se dá pela maior facilidade de implementação, porém, 
devemos relembrar a fragilidade de conexões metálicas de alta velocidade em 
ambientes externos. 
Inicialmente, devemos observar as normas técnicas de cabeamento (já 
sugeridas anteriormente) para redes corporativas e empresariais. Assim, cabos 
ethernet externos devem ser blindados e, em cada barracão, um patch panel de 
descarga precisa ser instalado para manter o aterramento da blindagem em 
apenas um ponto, conforme a Figura 6. Os equipamentos de cada barracão 
devem ter um ponto próprio de aterramento, e eletrodutos metálicos aterrados 
devem ser instalados para conduzir o cabeamento interno, posto que edificações 
em áreas rurais são especialmente suscetíveis a descargas atmosféricas. Outra 
motivação importante para essa boa prática é a presença comum de maquinário 
elétrico com implantações precárias, que se transformam em geradores de 
ruídos impulsivos para a rede. 
Figura 6 – Aterramento da blindagem de cabos externos 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fonte: Brustolin, 2020. 
Além da solução trivial metálica, o cabeamento óptico também pode ser 
considerado, dada sua natural imunidade a interferências e surtos. Nesse caso, 
Barracão 1 
Barracão 2 
Barracão 3 
Cabos externos 
Aterramento dos 
cabos externos 
Aterramento dos 
equipamentos locais 
 
 
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podemos usar cabos multimodo autossustentados (para estruturas próximas) e 
monomodo (para as mais distantes). Neste último caso, cabos diretamente 
enterrados são mais econômicos, mas é necessário sinalizar convenientemente 
o caminhamento para que veículos pesados não danifiquem o cabo por 
esmagamento. Travessias podem ser feitas por segmento autossustentado ou 
por preparação do trecho enterrado, usando dutos metálicos e assentamento de 
substrato de absorção (geralmente britas e areia). 
Sobre a conexão óptica, devemos observar as restrições mecânicas de 
operação (grau máximo de curvatura e torção, por exemplo) e a dificuldade de 
manutenção, que exigem mão de obra técnica especializada. 
5.2 Conexão à internet 
Como já comentamos, a localização física dos negócios agropecuários 
dificulta a disponibilização de canais de internet de alta velocidade, e algumas 
iniciativas vêm sendo tomadas pelos governos, mas ainda de forma incipiente. 
Segundo o censo agropecuário de 2017 (IBGE, 2018), existem cinco milhões de 
estabelecimentos rurais no Brasil; destes, 71,8% não têm acesso à internet. A 
conexão – raramente em banda larga – depende de investimentos em 
infraestrutura de telecomunicações. Para empreendimentos rurais de menor 
porte ou muito distantes de nós de internet, a solução satelital é a mais indicada. 
Satélites são basicamente retransmissores espaciais de sinais de rádio. 
Ao receber um sinal, o satélite demodula a mensagem e a modula novamente 
na nova frequência de transmissão, devolvendo-a à Terra. Quanto mais distante 
da Terra o satélite estiver, maior será a distância admitida entre os rádios 
terrestres que tentam a comunicação. Os satélites podem ser classificados, 
segundo sua altitude orbital, em geosynchronous Earth orbit (GEO) – acima de 
35 mil quilômetros –, mid-altitude Earth orbit (MEO) – em torno de 10 mil 
quilômetros – e low Earth orbit (LEO) – a menos de 10 mil quilômetros. 
As estações terrestres podem contar com imensas antenas conectadas a 
sistemas de telecomunicações complexos (hubs de operadoras) ou serem 
compostas por equipamentos compactos, compatíveis com o uso residencial ou 
de empreendimentos rurais. As very small aperture terminals (VSATs) são 
estações terrestres fixas de pequenas dimensões (antenas com até 2,4 metros 
de diâmetro) compostas por um conjunto de equipamentos internos (indoor units 
 
 
17 
– IDU), de conexão à LAN, e externos (outdoor unit – ODU), que fazem a 
comunicação extraterrestre (Nassif, 2001). 
Soluções com VSATs têm custo aceitável para uso rural, tanto no acesso 
à internet quanto na interconexão entre LANs. Essas soluções (assim como 
todas que utilizam satélites) apresentam latência elevada, que pode chegar 
facilmente a algumas centenas de milissegundos, impactando em algumas 
aplicações não dimensionadas para esse tipo de canal de comunicação. 
Há também lapsos de conexão motivados pelo desvanecimento (fading) 
do sinal, típico de transmissões de rádio na faixa de micro-ondas. O 
desvanecimento pode ser causado por vários fatores atmosféricos, inclusive 
chuvas e nevoeiros; isso significa que o sistema, com certa frequência, ficará 
inoperante em virtude de mau tempo (Alencar et al., 2001). 
Figura 7 – Comunicação satelital para acesso à internet 
 
Fonte: Brustolin, 2020. 
Outra solução – que merece ser comentada por sua baixa popularidade – 
são as high-altitude plataforms (HAPs), balões geoestacionários que operam a 
altitudes próximas de 20 quilômetros e têm um diâmetro de cobertura em torno 
de 400 quilômetros. É uma solução alternativa à implantação de torres de 
retransmissão de rádio, com vantagens em termos de velocidade de implantação 
e custos iniciais. 
5.3 Conexão entre internet, WSN e rede empresarial 
A conexão da rede de sensores WSN rurais com a rede de aplicação 
assemelha-se muito com a conexão entre as redes de uma planta industrial, que 
tem características baseadas em padrões internacionais. A topologia 
 
 
18 
recomendada para conectar o chão de fábrica à rede administrativa, baseada 
em níveis de interoperabilidade, pode ser utilizada como referência para as redes 
do agronegócio, guardadas as diferenças já estudadas entre as características 
físicas e de operação. 
A conexão entre as duas zonas (de produção e zona de aplicação ou 
empresarial) se dá com o auxílio de uma DMZ simplificada, isolando-se assim o 
trânsito de dados entre as zonas e para a internet. Então, a DMZ deve separar 
a rede que engloba os sensores de produção (WSN) daquela que os gerencia e, 
eventualmente, controla. É composta por firewall e proxi de acesso, que retira o 
sincronismo e o tráfego direto entre as redes, isolando protocolos e impedindo o 
contato direto dos sensores IoT com a internet. 
Figura 8 – Internet, WSN e rede empresarial 
 
 
Fonte: Brustolin, 2020. 
Considerando o que conversamos sobre as dificuldades de conexão com 
a internet, a DMZ podecontar com um gateway para adequar a comunicação 
satelital e retirar uma eventual canalização de voz associada. 
Nesse ponto, cabe reforçar a questão de segurança digital. Sensores IoT 
ainda não têm padrões de segurança estabelecidos e podem fazer conexões 
automáticas à internet para downloads ou uploads de dados para 
processamento compartilhado. A rede WSN deve ser impedida de acessar tanto 
a rede empresarial como a internet, impedindo a entrada de visitantes maliciosos 
na rede (Deri; Soldato, 2018). 
5.4 WSN 
 
 
19 
Como já comentamos, embora existam semelhanças entre as redes 
industriais e as rurais, no que se refere às WSNs, as diferenças são sensíveis. 
Os problemas de ruídos eletromagnéticos (REM) são praticamente ausentes no 
meio rural, e haverá um natural relaxamento nos cuidados de implantação. 
Dessa forma, a disposição de antenas e sensores não será definida pelas 
características de radiopropagação, mas respeitará o projeto de distribuição 
segundo critérios agronômicos. Caberá ao projetista de rede adaptá-la para 
viabilizá-la. 
Além disso, como já comentamos, os sensores se localizarão em regiões 
externas, desprotegidas, sem acesso a fontes de alimentação. É importante 
identificar fisicamente esses equipamentos para evitar seu esmagamento pelo 
maquinário e facilitar a manutenção. Criar uma rotina de manutenção preventiva, 
nessas situações, é bastante indicado, verificando regularmente os sensores 
para identificar eventuais danos causados pelas intempéries e limpar placas 
solares de alimentação, quando presentes. 
Os cuidados com o espectro de rádio ZigBee ou LoRa, conforme o caso, 
devem anteceder o projeto de rede. Recomendamos uma sondagem espectral 
prévia e, após a implantação, a revisão periódica, para verificar a presença de 
espectros interferentes provenientes de propriedades rurais próximas. Nesses 
casos, embora os protocolos impeçam a conexão equivocada, um tráfego de 
beaconing desnecessário poderá ocupar a rede. Esses dados espúrios – além 
do natural aumento de processamento dos controladores da rede – podem 
consumir energia desnecessária nos equipamentos terminais, inviabilizando a 
rede. 
Finalmente, o projeto da rede deve ser criterioso sobre a resiliência à 
latência. As aplicações precisam desse cuidado, e a infraestrutura da rede deve 
se preparar para eventuais armazenamentos intermediários de informação. Além 
disso, há também a questão da disponibilidade dos sensores, dada a baixa taxa 
de transmissão de dados (em muitos casos inferior a 64 kbps) e de eventuais 
necessidades de retransmissão motivadas por sensores indisponíveis em estado 
de latência ou com problemas de alimentação. 
FINALIZANDO 
• O projeto de redes rurais deve considerar a característica típica do campo 
como dificuldade de manutenção e de acesso aos equipamentos; 
 
 
20 
• Grandes distâncias entre a produção e a rede de controle são típicas e 
exigem soluções resilientes. Equipamentos que apresentem baixo TMEF 
dificultarão as decisões de precisão, gerando custos financeiros e 
oferecendo riscos à segurança ambiental; 
• Ao considerarmos a aquisição de equipamentos, devemos considerar 
também a necessidade de operação sem fontes confiáveis de energia ou 
em sua completa ausência; 
• A topologia da rede WSN será definida em conjunto com o especialista 
agropecuário; 
• A rede WSN precisa estar isolada. Possibilitaremos esse isolamento se 
inserirmos uma DMZ simplificada, que precisará resolver também a 
sincronia temporal entre redes que precisem se comunicar. A segurança 
das aplicações deve ser preservada, devido ao risco oferecido por 
equipamentos IoT com processamento independente; 
• A velocidade de comunicação da rede WSN será baixa e, 
consequentemente, sua latência será alta. Assim, as aplicações e a 
infraestrutura de rede devem se adaptar a essa realidade; 
• O uso provável de VSAT para interconexão com a internet (ou com outras 
propriedades) insere um segundo retardo na transmissão de pacotes, que 
tipicamente pode chegar a 200 ms. As aplicações e a infraestrutura de 
rede também devem se adaptar a essa possibilidade. 
 
 
 
21 
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