Sensores em cidades inteligentes: tipos, redes de rádio e a conta da bateria
Sensores em cidades inteligentes são aparelhos pequenos, presos em postes, enterrados no asfalto ou instalados em caixas de rua, que medem tráfego, vagas, poluição, ruído, chuva e consumo, e mandam esses dados por rádio para um sistema que a prefeitura acompanha. A parte difícil fica fora da medição: o sensor precisa funcionar anos sem troca de bateria, e quem decide quanto tempo ele dura é o rádio. Um mesmo sensor que transmite a cada 15 minutos pode durar menos de 2 anos ou chegar perto de 10, conforme a distância até a antena que recebe o sinal.
Este artigo mostra os tipos de sensor mais usados, como os dados viajam, faz a conta da bateria e resume o que cidades como Santander, Barcelona, Rio de Janeiro e São José dos Campos já mediram.
Os sensores mais comuns numa cidade
| Sensor | O que mede | Como funciona |
|---|---|---|
| Laço indutivo | passagem e contagem de veículos | uma espira de fio sob o asfalto forma um circuito sintonizado; o metal do carro altera a indutância, e o detector percebe a mudança de frequência |
| Sensor de vaga | vaga ocupada ou livre | magnetômetro enterrado sob o asfalto detecta a massa de ferro do carro |
| Qualidade do ar de baixo custo | material particulado (PM2,5), gases | contador óptico: um laser ilumina as partículas e o sensor conta os pulsos de luz espalhada |
| Pluviômetro | chuva acumulada | báscula que vira a cada fração de milímetro e gera um pulso elétrico |
| Fotocélula e controlador de poste | luz ambiente, estado da lâmpada | liga, desliga e reduz a potência da luminária |
| Câmera com análise de imagem | fluxo, ocupação, incidentes | software conta e classifica objetos no vídeo |
O laço indutivo é o sensor mais usado em sistemas de gestão de tráfego. Segundo o manual de detectores de tráfego da FHWA, a agência americana de rodovias, o equipamento injeta energia nas espiras numa frequência entre 10 e 200 kHz, e o veículo induz correntes parasitas que reduzem a indutância do laço. Como a frequência de um circuito sintonizado é f = 1 / (2π√LC), indutância menor significa frequência maior, e é essa variação que o detector registra.
O controle da iluminação pública começa pela fotocélula, que acende a lâmpada ao anoitecer. Os detalhes estão no artigo sobre iluminação urbana com fotocélulas. Com controlador e rádio, a luminária passa a reduzir a potência em horários de pouco movimento, e a Agência Internacional de Energia estima que a iluminação pública inteligente pode cortar até 80% do consumo de eletricidade, segundo o comunicado da IEA. O número é um teto: o ganho real depende de quanto da economia já veio da troca por LED.
Como o dado sai do sensor
Um sensor de rua quase nunca tem tomada nem cabo de rede. Ele transmite por rádio de longo alcance e baixo consumo, as chamadas redes LPWAN, e as duas mais usadas são LoRaWAN e NB-IoT.
- LoRaWAN: rede que a própria prefeitura ou uma empresa pode montar com antenas, os gateways. A Semtech, dona da tecnologia de rádio LoRa, fala em alcance de até 5 km em área urbana e 15 km ou mais em área rural com visada direta, segundo o documento técnico da empresa. No Brasil, o plano de canais é o AU915, na faixa de 915 a 928 MHz, segundo os parâmetros regionais da LoRa Alliance.
- NB-IoT: roda na rede das operadoras de celular. O 3GPP, que padroniza as redes móveis, definiu como meta 10 anos de bateria com 5 Wh e cobertura até uma perda máxima de acoplamento de 164 dB, margem que permite atender locais como subsolos, segundo uma apresentação do 3GPP.
Câmeras e semáforos com muito dado usam fibra óptica ou rede celular comum, porque vídeo não cabe numa LPWAN. A transmissão por luz está explicada no artigo sobre cabos de fibra óptica. Parte do processamento pode ficar perto do sensor, num servidor de rua, para não mandar tudo à central, que é a ideia da computação de borda em cidades.
A conta da bateria de um sensor LoRaWAN
No LoRa, o rádio troca velocidade por alcance com um parâmetro chamado fator de espalhamento, ou SF, que vai de 7 a 12. Cada degrau dobra a duração de cada símbolo transmitido. Um sensor perto da antena usa SF7 e transmite rápido; um sensor longe precisa de SF12 para ser ouvido, e a mesma mensagem fica muito mais tempo no ar.
Premissas, todas nossas: mensagem de 25 bytes (12 de dados e 13 do protocolo), canal de 125 kHz, um envio a cada 15 minutos (96 por dia), corrente de transmissão de 87 mA a +17 dBm e consumo de base de 10 µA para o microcontrolador e o sensor dormindo. A corrente de 87 mA vem da ficha técnica do rádio SX1276. A bateria tem 2.600 mAh. O tempo no ar sai da fórmula de tempo de transmissão da Semtech, que pode ser conferida na calculadora LoRa da empresa.
- tempo no ar por mensagem: cerca de 62 ms em SF7 e 1.483 ms em SF12, 24 vezes mais;
- carga gasta por dia transmitindo em SF7: 87 mA × 0,062 s × 96 ≈ 518 mA·s ≈ 0,14 mAh;
- em SF12: 87 mA × 1,483 s × 96 ≈ 12.390 mA·s ≈ 3,44 mAh;
- consumo de base: 0,010 mA × 24 h = 0,24 mAh por dia;
- duração em SF12: 2.600 / (3,44 + 0,24) ≈ 706 dias, menos de 2 anos;
- duração em SF7: 2.600 / (0,14 + 0,24) ≈ 6.800 dias pela conta, e na prática o limite passa a ser a própria pilha, que perde carga sozinha com o tempo. A Semtech fala em baterias que duram até 10 anos.
A conta deixa de fora as janelas de recepção depois de cada envio, as retransmissões e o frio, que reduz a capacidade da bateria. Mesmo assim mostra o ponto principal: o número de antenas da rede decide a vida útil dos sensores. Uma antena a mais, que deixe um bairro em SF9 em vez de SF12, multiplica a duração das baterias por mais de 5. O plano AU915 tem ainda um limite opcional de 400 ms por transmissão; onde ele vale, SF11 e SF12 ficam proibidos, e o sensor distante precisa de outra antena para ser ouvido. No NB-IoT, um estudo de 2018 que mediu o consumo de dois módulos comerciais numa rede real estimou de 2 a 3 anos de vida para uma bateria de 1 Ah, segundo o artigo publicado no arXiv.
O que as cidades já mediram
- Santander, Espanha: o projeto europeu SmartSantander tinha, em 2012, cerca de 2.000 dispositivos ambientais no centro, quase 400 sensores de vaga ferromagnéticos sob o asfalto, 50 na irrigação de dois parques e 60 contando tráfego nas entradas da cidade, com meta de mais de 12 mil sensores e etiquetas até 2013, segundo a chamada pública do projeto.
- Barcelona: a prefeitura reúne numa plataforma de código aberto, a Sentilo, dados de sensores de fluxo de pessoas e bicicletas, ruído, temperatura e qualidade do ar, segundo a página da prefeitura. Um artigo de 2016 da Data-Smart City Solutions, iniciativa ligada à escola de governo de Harvard, atribui à irrigação controlada por sensores, em 68% dos parques, um aumento de 25% na economia de água, e às melhorias na iluminação pública uma economia de 30% de energia, segundo a Data-Smart City Solutions. Não encontramos os mesmos números em publicação da própria prefeitura.
- Rio de Janeiro: o Centro de Operações Rio, criado em 2010, recebe imagens de cerca de 4 mil câmeras e dados de 200 pluviômetros, segundo o Canaltech.
- São José dos Campos: em 2022, foi a primeira cidade brasileira certificada como cidade inteligente, no nível ouro, avaliada em 276 indicadores de três normas, entre elas a ABNT NBR ISO 37122, segundo a prefeitura.
Os sensores de uma cidade também alimentam a rede elétrica: medidores e controles distribuídos são a base dos sistemas ciber-físicos em smart grids.
Os limites: sensor barato mede mal
O sensor de poluição de baixo custo é o exemplo mais documentado. A agência ambiental americana EPA comparou dados de sensores PurpleAir com estações oficiais em 39 locais de 16 estados e concluiu que, sem correção, eles superestimam o PM2,5 em cerca de 40% na maior parte do país; com a equação de correção, a raiz do erro quadrático médio caiu de 8 para 3 µg/m³, segundo o artigo de Barkjohn e colegas. Em episódios de poeira mineral, o erro vai para o outro lado: mesmo com as equações de correção, os dados subestimam o PM2,5 por um fator de 5 a 6, segundo o estudo de Jaffe e colegas. O dado de um sensor barato serve para ver tendência e comparar ruas, e precisa de calibração contra uma estação de referência para virar número oficial.
Há ainda manutenção, porque sensor de rua suja, sofre vandalismo e perde calibração; segurança, porque cada aparelho conectado é uma porta para a rede; e privacidade, porque câmeras e contadores de celular coletam dados pessoais que no Brasil caem na LGPD. Carros autônomos levam o mesmo tipo de sensoriamento para dentro do veículo, como mostra o artigo sobre sensores LIDAR.
Perguntas frequentes
Quais sensores são usados em cidades inteligentes?
Os mais comuns são laços indutivos e câmeras para tráfego, magnetômetros para vagas, sensores ópticos de partículas para qualidade do ar, pluviômetros, medidores de ruído e controladores de iluminação pública.
Como os sensores de rua se comunicam?
Em geral por redes de rádio de baixo consumo, como LoRaWAN e NB-IoT. Câmeras e equipamentos com muito dado usam fibra óptica ou rede celular comum.
Quanto tempo dura a bateria de um sensor de cidade inteligente?
Depende do rádio e da distância até a antena. Na nossa conta, um sensor LoRaWAN que transmite a cada 15 minutos dura menos de 2 anos no modo de maior alcance e pode chegar perto de 10 anos perto da antena, quando o limite passa a ser a própria pilha.
Sensor de poluição barato é confiável?
Serve para comparar locais e ver tendências. Pesquisadores da EPA verificaram que sensores PurpleAir sem correção superestimam o PM2,5 em cerca de 40% na maior parte dos Estados Unidos, e por isso eles precisam ser calibrados contra estações oficiais.
Qual cidade brasileira é certificada como inteligente?
São José dos Campos foi a primeira, em 2022, com certificação no nível ouro baseada em 276 indicadores, incluindo os da ABNT NBR ISO 37122.
Numa cidade inteligente, o maior custo está em manter os sensores medindo certo por anos. Antes de comparar projetos, vale perguntar quantas antenas a rede tem, de quanto em quanto tempo cada sensor transmite e contra o que ele foi calibrado, porque essas três respostas decidem se o dado vai existir daqui a cinco anos.
Imagem de destaque: Estação de monitoramento da qualidade do ar na região da Aquitânia, na França. Foto: Cjp24 / Wikimedia Commons, CC BY-SA 4.0.
