Explorando protocolos de comunicação sem fio na plataforma ESP32 em aplicações outdoor

O ESP32-C6-DevKitM-1 foi o escolhido para testar Wi-Fi, ESP-NOW e ESP-NOW-LR devido aos seus recursos de ponta e adequação para avaliações em aplicações no mundo real. Embora seu design compacto e recursos integrados tornem-na uma excelente escolha, deve-se notar que a placa não suporta antenas externas de forma nativa. Em vez disso, possui uma antena PCB de alta qualidade otimizada para aplicações típicas de IoT.

Aqui estão os principais destaques:

• Suporte para Wi-Fi 6 (802.11ax) – Fornece velocidade aprimorada, maior eficiência em ambientes congestionados e latência reduzida, tornando-o uma opção future-ready para testes baseados em recursos de Wi-Fi modernos.
• Capacidade de 2,4 GHz – Essencial para avaliar o desempenho da comunicação de longo alcance com o ESP-NOW-LR, especialmente em ambientes desafiadores como florestas ou topologias de solo acidentados e com sombreamento.
• Antena PCB integrada – Embora limitada a uma antena integrada, o design garante uma configuração compacta e confiável para testes de curto e médio alcance. A placa não inclui conector U.FL ou suporte de antena externa, o que pode limitar o alcance em determinados cenários.
• Eficiência energética – Projetado para operação com baixo consumo de energia, permitindo testes prolongados em áreas remotas sem recarga frequente, simulando cenários reais de implantação de IoT.
• Ecossistema de Desenvolvimento – Totalmente compatível com a estrutura ESP-IDF da Espressif e ferramentas de terceiros, tornando a configuração, programação e análise simples e eficientes.

Ao combinar esses recursos, o ESP32-C6-DevKitM-1 oferece uma plataforma confiável para avaliação comparativa de protocolos de comunicação sem fio em diversas condições, desde campos abertos até florestas densas. Embora a falta de suporte para antena externa seja uma limitação, a antena PCB integrada tem um bom desempenho em faixas de teste típicas, tornando-a uma excelente escolha para avaliações de uso geral.

Conceito de transmissão e avaliação de dados:

Para garantir resultados de teste precisos e consistentes, uma configuração cuidadosamente projetada foi implementada usando as placas de desenvolvimento ESP32-C6-DevKitM-1. Dois dispositivos foram empregados, um configurado como transmissor para enviar pacotes de dados e outro como receptor para registrar métricas de desempenho. Esta configuração permitiu simular cenários de comunicação do mundo real, enquanto o comportamento de cada protocolo sem fio em teste foi totalmente isolado.

Os experimentos foram realizados em dois ambientes distintos para capturar variações de desempenho; campos abertos, que proporcionaram interferência mínima e com visada plena para comunicação, e áreas florestais, que introduziram obstruções densas, como árvores e folhagens, para simular condições desafiadoras. Esses ambientes garantiram que os protocolos pudessem ser avaliados tanto para condições ideias, quanto para condições adversas.

Três métricas principais de desempenho foram coletados durante os testes:

• Latência – Foram medidas as condições de tempo que uma mensagem leva para viajar do transmissor ao receptor. Ao avaliar a latência em várias distâncias, foi possível avaliar a capacidade de resposta de cada protocolo sob diferentes condições ambientais e de alcance.
• Velocidade – O rendimento máximo, ou taxa de transferência de dados, foi determinado para entender o quão bem cada protocolo suportava a comunicação em alta velocidade. Isso foi medido em ambos os ambientes para identificar o impacto da interferência e atenuação do sinal.
• Taxa de sucesso de pacotes – A confiabilidade de cada protocolo foi monitorada pelo rastreamento da porcentagem de pacotes de dados transmitidos e recebidos com sucesso em distâncias crescentes. Essa métrica foi crítica para compreender a estabilidade e robustez de cada protocolo em casos de uso do mundo real.

Analise dos resultados obtidos:

O Wi-Fi exibiu uma degradação constante no desempenho à medida que a distância aumentava. Em campos abertos, a latência começou em torno de 20ms a 30 metros e subiu para aproximadamente 35ms a 150 metros, enquanto em áreas florestais a latência aumentou mais acentuadamente, começando em 25ms a 20 metros e atingindo quase 40ms a 100 metros.

A velocidade em campos abertos foi maior em distâncias mais curtas, atingindo um pico de 12Mbps a 30 metros, mas diminuiu drasticamente para menos de 6Mbps em 150 metros. Em florestas densas, as velocidades eram mais baixas, começando em 8Mbps a 20 metros e caindo para menos de 4Mbps a 100 metros devido a interferências. As taxas de sucesso em campos abertos permaneceram altas a curta distância, mas caíram para cerca de 60% em 150 metros. Em condições florestais, as taxas de sucesso do Wi-Fi diminuíram mais rapidamente, caindo abaixo de 50% a 80 metros, destacando a sua vulnerabilidade a obstruções. O ESP-NOW demonstrou excelente desempenho para comunicação de médio alcance. A latência em campos abertos permaneceu consistentemente baixa, com média inferior a 20ms, mesmo em distâncias de até 300 metros, e permaneceu administrável em cerca de 30ms em florestas a 150 metros. A velocidade em campos abertos atingiu um máximo de 400kbps a curta distância, caindo gradualmente para 50kbps a 300 metros. Em florestas densas, as velocidades começaram em torno de 350kbps a 25 metros, mas diminuíram mais rapidamente, atingindo apenas 50kbps a 150 metros. As taxas de sucesso em campos abertos foram próximas de 100% até 150 metros, caindo gradualmente para 60% até 300 metros. Em condições florestais densas, as taxas de sucesso diminuíram mais acentuadamente, caindo abaixo de 50% a 125 metros. No geral, o ESP-NOW teve um bom desempenho em distâncias moderadas e ofereceu resiliência razoável aos desafios ambientais. O ESP-NOW-LR destacou-se em ambientes desafiadores e de longo alcance, mostrando notável estabilidade em longas distâncias. Em campos abertos, a latência permaneceu abaixo de 25ms mesmo a 900 metros, enquanto em florestas permaneceu consistente em cerca de 30ms até 600 metros, apesar dos obstáculos ambientais. A velocidade em campos abertos começou em 100kbps a 150 metros e diminuiu continuamente para cerca de 10kbps a 900 metros. Em florestas densas, a velocidade permaneceu em 80kbps até 200 metros, mas sofreu um declínio acentuado além dos 400 metros. As taxas de sucesso em campos abertos foram próximas de 100% até 450 metros e caíram para 40% em 900 metros, enquanto nas florestas densas, as taxas de sucesso seguiram uma tendência semelhante, começando perto de 100%, mas caindo abaixo de 50% em 400 metros. Estes resultados destacam o excelente desempenho de longo alcance do ESP-NOW-LR e a sua capacidade de manter a conectividade em condições de terrenos obstruídos.

Conclusão:

A plataforma ESP32 oferece protocolos de comunicação poderosos e flexíveis que atendem a uma ampla gama de aplicações. O Wi-Fi fornece alto rendimento e conectividade com a Internet, para aplicativos com uso intenso de largura de banda. O ESP-NOW é excelente em comunicação de baixo consumo e sem conexão para redes peer-to-peer, ideal para aplicações locais sem necessidade de infraestrutura. O ESP-NOW-LR, equipado com a tecnologia Espressif, amplia o alcance do ESP-NOW para até um quilômetro, tornando-o a escolha perfeita para aplicações de IoT de longo alcance e baixo consumo de energia em ambientes remotos ou desafiadores.

O ESP32-C6-DevKitM-1 fornece uma plataforma robusta e versátil para avaliar Wi-Fi, ESP-NOW e ESP-NOW-LR em diversos ambientes. Os testes revelam que:

• O Wi-Fi é ideal para comunicação de alta velocidade em ambientes controlados.
• ESP-NOW equilibra eficiência energética e capacidade de resposta para redes IoT locais.
• O ESP-NOW-LR é uma excelente alternativa para aplicações de comunicação de longo alcance e baixo consumo de energia, em ambientes com maior densidade e obstrução.