Como funcionam os módulos de comunicação sem fio — ESP32, nRF52840, SX1262

Por mais preciso que um sensor meça um valor, esse valor é inútil sem uma forma de transmiti-lo além do microcontrolador, para um gateway ou para a nuvem. Os módulos de comunicação sem fio desempenham esse papel de "transmissão", e as três abordagens representativas são Wi-Fi, BLE (Bluetooth Low Energy) e LoRa. Todas as três compartilham a ideia básica de transmitir dados por meio de ondas de rádio (ondas eletromagnéticas) e propagá-las pelo espaço, mas seus esquemas de modulação, faixas de frequência e filosofias de topologia diferem substancialmente, resultando em uma divisão de tarefas: "Wi-Fi — rápido, mas não eficiente em termos de energia", "BLE — eficiente em termos de energia, mas de curto alcance" e "LoRa — lento e eficiente em termos de energia, mas com alcance de quilômetros a dezenas de quilômetros". Não é exagero dizer que essa escolha do esquema sem fio, ainda mais do que a escolha do próprio sensor, determina o orçamento de energia geral, o alcance da comunicação e a arquitetura do sistema de um dispositivo IoT.

Placa de desenvolvimento ESP32 (um exemplo de um SoC com Wi-Fi/Bluetooth integrado)

Gateway MultiTech Conduit (esquerda) e nó mDot (na placa de desenvolvimento, direita)

Imagens: ESP32 placa de desenvolvimento (Licença, CC0) / MultiTech Gateway Conduit e Nó mDot (IOTpreneur, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons.

Princípio: OFDM — combatendo o multicaminho com subportadoras ortogonais (Wi-Fi)

Em vez de colocar todos os seus dados em uma única onda portadora, o Wi-Fi (IEEE 802.11) usa OFDM (Multiplexação por Divisão de Frequência Ortogonal). Uma banda larga é dividida em várias subportadoras de banda estreita mutuamente ortogonais, e um fluxo de dados lento é transmitido em cada subportadora separadamente. Como a taxa de símbolos em cada subportadora individual diminui, a duração de um único símbolo aumenta, o que reduz relativamente o impacto da dispersão de atraso causada pelas ondas refletidas (multicaminho), comum em ambientes internos e áreas urbanas. O OFDM 802.11a/g legado utiliza 52 subportadoras (48 para dados, 4 para piloto) com espaçamento de 312,5 kHz entre elas, dentro de um canal de 20 MHz de largura. A chave é a "ortogonalidade": o espectro de frequência de cada subportadora é organizado de forma que, no pico de todas as outras subportadoras, seu próprio valor seja exatamente zero. Isso permite que as bandas sejam agrupadas de forma compacta e aumenta a eficiência espectral sem causar interferência intersimbólica.

Imagem: Timing diagrama de sinais multicaminho na recepção OFDM (Gerben49 / Mliu92, CC BY-SA 4.0), Wikimedia Commons. Ela ilustra como o design de símbolos com um intervalo de guarda absorve os múltiplos caminhos de chegada (multicaminho) criados por reflexões em paredes e móveis.

As bandas de frequência do Wi-Fi se dividem em 2,4 GHz, 5 GHz e 6 GHz (Wi-Fi 6E e posterior). A banda de 2,4 GHz é favorável à difração em torno de obstáculos e ao alcance, mas como muitos dispositivos — Bluetooth, fornos de micro-ondas, Zigbee — compartilham a mesma banda, ela é propensa a congestionamento e interferência. As bandas de 5 GHz e 6 GHz têm relativamente menos dispositivos em uso e tornam É mais fácil garantir uma ampla largura de banda, o que os torna adequados para alto rendimento, mas seu comprimento de onda mais curto resulta em menor penetração em paredes e menor alcance. O Wi-Fi 6 (802.11ax), agora predominante, introduz o OFDMA (Acesso Múltiplo por Divisão de Frequência Ortogonal), uma evolução do OFDM que permite que um único canal seja dividido com precisão e usado simultaneamente por várias estações — um projeto destinado a reduzir a latência e a degradação do rendimento, mesmo em ambientes onde muitos dispositivos IoT estão conectados ao mesmo tempo.

Princípio: Modulação GFSK e topologia em estrela do BLE

O BLE (Bluetooth Low Energy) usa a mesma banda ISM de 2,4 GHz que o Wi-Fi, mas adota uma filosofia de projeto completamente diferente. Em vez de um esquema multicarridora como o OFDM, sua modulação é GFSK (Gaussian Frequency Shift Keying), um esquema simples de portadora única. Em vez de deslocar a frequência diretamente com o sinal digital 0/1 como uma onda quadrada, o GFSK primeiro suaviza a forma de onda por meio de um filtro gaussiano antes de deslocá-la, o que suprime o alargamento repentino da largura de banda ocupada que... A modulação acompanha a comunicação e reduz a interferência em canais adjacentes. A partir do BLE 5, essa base GFSK suporta modos selecionáveis, como o LE 2M PHY, que mantém um bit por símbolo e aumenta a taxa de símbolos para 2 Msym/s, e o LE Coded PHY (S=2/S=8), que utiliza codificação de correção de erros e mapeamento de padrões para expandir os bits de informação em múltiplos símbolos — permitindo que a aplicação equilibre velocidade e alcance.

Em termos de topologia, o BLE adota fundamentalmente uma configuração em estrela (um para muitos). Um único dispositivo central (um smartphone ou gateway) mantém conexões com múltiplos periféricos (nós sensores), e cada periférico se comunica diretamente apenas com o dispositivo central. Além disso, a eficiência energética do BLE se baseia em um projeto de "operação com ciclo de trabalho". Em vez de permanecer em um estado de recepção constante, o rádio é ativado por um curto intervalo apenas em um intervalo de evento de conexão predeterminado (o intervalo de conexão) para trocar dados e permanece em modo de repouso no restante do tempo. Essa operação com ciclo de trabalho é a essência da eficiência energética que permite a comunicação em alta velocidade. Um sensor BLE pode funcionar por anos com uma única bateria tipo moeda, e essa é a maior diferença de filosofia de design em relação ao Wi-Fi, que pressupõe conectividade de rede constante e contínua. Nenhum diagrama público adequado foi encontrado para esta seção, portanto, a explicação do princípio aqui se limita a equações e texto.

Princípio: Espectro Espalhado por Chirp (CSS) e fator de espalhamento do LoRa

O LoRa (Long Range) utiliza um esquema de modulação diferente tanto do Wi-Fi quanto do BLE: Espectro Espalhado por Chirp (CSS). Sua forma de onda base é um "chirp" — um sinal cuja frequência portadora é varrida linearmente por toda a banda ao longo do tempo — e os dados são codificados deslocando a frequência inicial desse chirp símbolo por símbolo. No lado da recepção, a multiplicação por um sinal de referência cuja frequência muda na direção oposta à do chirp (um "downchirp") facilita a detecção de um pico mesmo em um sinal fraco. Esse mecanismo confere ao LoRa alta sensibilidade de recepção, sendo capaz de demodular mesmo com uma relação sinal-ruído (SNR) muito baixa (um sinal mais fraco que o sinal de entrada). ruído).

O parâmetro chave do LoRa é o fator de espalhamento (SF), que varia de SF7 a SF12. Cada aumento no SF dobra o número de varreduras de chirp por símbolo (o comprimento efetivo do símbolo), estendendo o tempo necessário para enviar os mesmos dados (tempo de transmissão), mas melhorando a sensibilidade de recepção em cerca de 2,5 dB. Em outras palavras, o SF12 pode estender bastante o alcance em comparação com o SF7, mas a taxa de dados cai substancialmente, e o maior tempo de transmissão também aumenta o consumo de energia e a ocupação do tempo de transmissão. Essa compensação — "aumentar o fator de espalhamento significa alcançar distâncias maiores, porém com menor velocidade" — é a essência do projeto de rede LoRa.

Imagem: Example combinações de sub-chirps na modulação CSS (wdwd, CC BY-SA 3.0), Wikimedia Commons. Mostra o princípio de representar um símbolo através de combinações de formas de onda chirp cuja frequência varia linearmente ao longo do tempo.

A camada física do LoRa utiliza bandas ISM sub-GHz (que variam conforme a região — a banda de 868 MHz na Europa, a banda de 915 MHz na América do Norte, e assim por diante). Quanto menor a frequência, mais favoráveis são as características de difração e penetração da onda de rádio, de modo que, com a mesma potência de transmissão, ela alcança distâncias maiores e ultrapassa obstáculos do que a banda de 2,4 GHz. Em contrapartida, muitas regulamentações regionais impõem limites de ciclo de trabalho à transmissão na banda sub-GHz (por exemplo, alguns canais na banda de 868 MHz da Europa restringem o tempo de transmissão a menos de 1%), tornando-a inadequada para aplicações que precisam enviar dados com frequência. Sobre essa camada física, o "LoRaWAN" é padronizado como a especificação da camada MAC que gerencia a comunicação entre múltiplos dispositivos finais LoRa e um gateway; A distinção é que LoRa se refere ao esquema de modulação em si, enquanto LoRaWAN se refere ao protocolo de rede.

Comparação de especificações de produtos principais

O ESP32-C6 se destaca por integrar três padrões sem fio — Wi-Fi, BLE e IEEE 802.15.4 (Zigbee/Thread) — em um único chip baseado em RISC-V. Dependendo da aplicação, ele pode alternar entre uma configuração que envia dados diretamente para a nuvem via Wi-Fi, uma que emparelha com um smartphone via BLE ou uma que se integra a uma rede mesh Zigbee/Thread via 802.15.4 — uma flexibilidade que um chip de função única não consegue igualar. O nRF52840 possui um alto grau de refinamento como um chip dedicado a BLE, e seu equilíbrio entre sensibilidade de recepção de -95 dBm e corrente de transmissão de 16,4 mA reflete números otimizados para dispositivos vestíveis e beacons alimentados por baterias tipo moeda. O SX1262, por outro lado, ostenta uma sensibilidade de recepção dez vezes maior, de -148 dBm — uma diferença de 53 dB em relação aos -95 dBm do nRF52840, o que significa que ele pode demodular um sinal mais de 200.000 vezes mais fraco em termos de potência. Essa diferença de sensibilidade é o principal fator por trás da diferença de alcance: de alguns metros a dezenas de metros para BLE, contra vários quilômetros a dezenas de quilômetros para LoRa. O CC2652R7 é um projeto multiprotocolo que alterna entre protocolos de maneira semelhante a um rádio definido por software, adequado para dispositivos como hubs de casas inteligentes que desejam suportar vários padrões sem fio em uma única unidade. O MultiTech mDot é amplamente utilizado em aplicações industriais como uma implementação de módulo LoRaWAN e é um dos poucos produtos com um alcance de 16 km em linha reta, medido e publicado.

História: o termo de marketing "Wi-Fi" e os processos judiciais por patentes que se escondem por trás das ondas de rádio

O nome Wi-Fi não é, na verdade, uma abreviação de um padrão técnico. É um termo de marketing criado em 1999 pela empresa de branding Interbrand, a pedido da WECA (Wireless Ethernet Compatibility Alliance, posteriormente Wi-Fi Alliance) — a entidade do setor que certifica a interoperabilidade de equipamentos de rede sem fio (WLAN) compatíveis com o padrão IEEE 802.11. Criado para evocar o som de "Hi-Fi (Alta Fidelidade)", o termo foi, por vezes, adaptado para o slogan "Wireless Fidelity" (Fidelidade Sem Fio), mas oficialmente não é uma abreviação de nenhuma palavra específica. A história de como essa tecnologia — que, se mantida como o número de padrão "IEEE 802.11b", provavelmente nunca teria conquistado o consumidor comum — explodiu em popularidade após receber um nome simples é um estudo de caso sobre o poder da nomenclatura, e não apenas da tecnologia em si.

Entretanto, por trás da tecnologia OFDM, núcleo do Wi-Fi, reside uma história pouco conhecida de disputas de patentes. A agência nacional de pesquisa da Austrália, CSIRO (Commonwealth Scientific and Industrial Research Organisation), registrou uma patente em 1992 (Patente dos EUA nº 5.487.069) sobre uma técnica para corrigir a distorção induzida por múltiplos caminhos, desenvolvida no âmbito de pesquisas em radioastronomia. Como essa técnica se sobrepunha a um elemento essencial para implementações posteriores de OFDM nas gerações IEEE 802.11a/g/n, a CSIRO, a partir de 2005, entrou com uma série de processos contra os principais fabricantes de equipamentos Wi-Fi, buscando o pagamento de licenças. Acordos e contratos de licenciamento foram eventualmente firmados com muitos fabricantes, e estima-se que a CSIRO tenha arrecadado mais de US$ 420 milhões em receitas de licenciamento com esse portfólio de patentes. O fato de uma patente originada da radioastronomia ter gerado uma receita tão expressiva, por trás de uma tecnologia que se tornou gratuita e integrada ao cotidiano, é um aspecto pouco conhecido da história técnica do Wi-Fi. Exemplo prático: a rede de medidores inteligentes LoRaWAN da ZENNER — uma rede de sensores com 10 milhões de dispositivos

Um exemplo prático do potencial de escalabilidade de uma rede LoRaWAN é a rede operada pelo grupo alemão Minol-ZENNER. Em setembro de 2025, a empresa anunciou que o número de sensores conectados à sua rede LoRaWAN — principalmente medidores inteligentes de água, aquecimento e gás — havia ultrapassado 10 milhões de dispositivos. Considerada uma das maiores redes LoRaWAN do mundo, ela representa um caso de uso exemplar que aproveita o baixo consumo de energia e o longo alcance do LoRa: medidores individuais funcionando com bateria por longos períodos, enviando leituras para um gateway em baixa frequência. A LoRa Alliance (a organização do setor que gerencia o padrão LoRaWAN) também anunciou em dezembro de 2025 que o número total de dispositivos LoRaWAN implantados em todo o mundo, somado entre as operadoras membros, havia ultrapassado 125 milhões, registrando um crescimento contínuo a uma taxa anual de 25%. A marca de 10 milhões de dispositivos da ZENNER representa uma escala excepcional para uma única operadora, mesmo dentro do total global, superando amplamente outras grandes operadoras como Actility (4,6 milhões), The Things Industries (3,8 milhões), Birdz (3,6 milhões) e Netmore (3,4 milhões).

Por trás de uma rede dessa escala, existe uma característica de projeto na qual um único gateway LoRaWAN pode acomodar milhares de dispositivos finais, e o ciclo de trabalho de cada dispositivo é baixo (um medidor inteligente transmite dados apenas algumas vezes por dia, no máximo). As limitações de largura de banda sem fio também são uma constante no projeto de robótica — por exemplo, o projeto newbot aprendeu, a partir da largura de banda Wi-Fi medida, que "transmitir dados brutos sem qualquer tratamento satura a largura de banda" — mas o LoRaWAN, em vez disso, alcança um tipo diferente de escalabilidade, "acomodando um grande número de dispositivos simultaneamente", justamente por restringir ao máximo o volume e a frequência dos dados enviados por dispositivo.

A pequena startup francesa que deu origem ao LoRa e a pesquisa que ultrapassou os limites de um único salto

A tecnologia de modulação LoRa em si não nasceu originalmente em um grande laboratório corporativo. Entre 2009 e 2010, a Cycleo, uma pequena startup em Grenoble, França, desenvolveu uma técnica de espectro espalhado por chirp para comunicação sem fio de longo alcance e baixo consumo de energia. A fabricante de semicondutores Semtech, atenta a essa tecnologia, adquiriu a Cycleo em 2012 e incorporou a tecnologia LoRa à sua própria linha de produtos, que se transformou na atual família de chips LoRa, incluindo a série SX126x/SX127x, e posteriormente no LoRaWAN, a especificação aberta agora gerenciada pela organização sem fins lucrativos LoRa Alliance. Um esquema de modulação desenvolvido por uma única startup francesa cresceu, em pouco mais de uma década, para uma rede global com mais de 125 milhões de dispositivos.

Como contrapartida à sua eficiência energética e longo alcance, o LoRaWAN pressupõe fundamentalmente uma configuração de salto único, na qual os dispositivos finais se comunicam diretamente com um gateway. Isso impõe uma limitação inerente: a dificuldade em cobrir áreas onde o sinal de rádio do gateway não alcança diretamente, como terrenos montanhosos, subterrâneos ou a sombra de um edifício. Para solucionar essa limitação, um artigo publicado no arXiv em dezembro de 2025, intitulado "Mesh Augmentation of LoRaWAN-based IoT Networks" (arXiv:2512.00161, Ram Ramanathan et al.), propõe um protocolo chamado "LIMA" que estende o alcance efetivo da comunicação por meio de roteamento em malha multi-salto entre os dispositivos finais, sem qualquer modificação na infraestrutura LoRaWAN existente. Em simulações, o protocolo apresentou uma taxa de sucesso de entrega até 5 vezes maior e um consumo de energia até 12,6 vezes menor em comparação com uma configuração convencional de salto único — demonstrando que a pesquisa que reexamina a premissa do salto único, mesmo para uma implantação LoRaWAN que já atingiu 10 milhões de dispositivos, permanece ativa.

Um nome que nasceu do epíteto de um rei dinamarquês — por que "Bluetooth"?

A origem da tecnologia sem fio Bluetooth, que está por trás do BLE, remonta a uma pesquisa iniciada na Ericsson, na Suécia, em 1994. Jaap Haartsen, então engenheiro da Ericsson, juntamente com seus colegas, começou a pesquisar, sob a direção de Nils Rydbeck, uma conexão sem fio de curto alcance e baixo consumo de energia para conectar telefones celulares a seus periféricos — o ponto de partida. Em 1996, a Ericsson, a Intel e a Nokia iniciaram discussões para padronizar esse padrão sem fio de curto alcance e, no final do ano seguinte, 1997, durante uma conversa informal em um bar em Toronto, Jim Kardach, então engenheiro da Intel, teria sugerido "Bluetooth" como um nome provisório. Kardach havia tomado conhecimento do rei dinamarquês do século X, Harald I (Harald Blåtand, "Harald Bluetooth" em português), através de um romance com temática viking que um colega estava lendo, e comparou o feito desse rei de unificar a Dinamarca e a Noruega à visão de "unificar", por meio dessa tecnologia sem fio, a então fragmentada indústria de PCs e a indústria de telefonia móvel. A ideia inicial era apenas provisória, até que o departamento de marketing definisse um nome oficial, mas o nome acabou sendo adotado interna e externamente por sua sonoridade agradável, e acabou sendo adotado como o próprio nome oficial. O logotipo do Bluetooth ainda em uso hoje combina as runas do Futhark Jovem para "H" (ᚼ) e "B" (ᛒ) — um emblema formado pelas iniciais de Harald I. O fato de o epíteto de um rei nórdico ainda sobreviver, tal como está, como nome de produto por trás de um único esquema de modulação é um episódio que, sob uma perspectiva diferente da polêmica sobre a nomenclatura do Wi-Fi, demonstra que o nome de uma tecnologia não necessariamente a descreve em si. ## Parâmetros que influenciam o desempenho

• Alcance e sensibilidade de recepção: A sensibilidade de recepção de -148dBm do SX1262 é 53dB maior que a do nRF52840 (-95dBm), e essa é a principal causa da diferença de alcance — "LoRa alcança quilômetros a dezenas de quilômetros, enquanto BLE alcança metros a dezenas de metros." Este é o ponto de partida para a divisão de tarefas: dispositivos da família LoRa para monitoramento externo de ampla área e dispositivos da família BLE para dispositivos vestíveis e beacons internos de curto alcance.
• Equilíbrio entre taxa de dados e tempo de transmissão: A escolha entre SF7 e SF12 no LoRa resulta diretamente em um equilíbrio entre alcance e taxa de dados/consumo de energia. Como o SF12 requer muito mais tempo de transmissão do que o SF7 para enviar os mesmos dados, aplicações como os medidores inteligentes da ZENNER — que "enviam uma pequena quantidade de dados algumas vezes ao dia" — favorecem um design que prioriza o alcance, mesmo que isso signifique aumentar o SF, enquanto aplicações que trocam dados com frequência devem considerar Wi-Fi ou BLE em vez de LoRa.
• Potência de transmissão e consumo de corrente: O nRF52840 consome 16,40 mA a +8 dBm de transmissão; o SX1262 consome ainda mais corrente a +22 dBm de transmissão. Em sensores BLE que visam operação em escala de anos com uma bateria tipo moeda, um projeto que limita a potência de transmissão para reduzir a corrente é a abordagem básica, enquanto, inversamente, no lado do gateway, onde a energia é mais fácil de garantir, um projeto assimétrico que investe em alta potência de transmissão para reduzir o consumo de bateria do lado receptor (downlink forte, uplink fraco) também é comum em LoRaWAN.
• Escolha da banda de frequência: A banda de 2,4 GHz (Wi-Fi, BLE, alguns Zigbee/Thread) pode ser usada globalmente, mas é propensa a congestionamento; a banda sub-GHz (868/915 MHz do LoRa) é boa em difratar em torno de obstáculos e adequada para longo alcance, mas a alocação de frequência e as regulamentações do ciclo de trabalho diferem por região. Para produtos implantados globalmente, lidar com essa diferença regulatória (alternar a região do módulo) torna-se um ônus prático de projeto.
• Topologia e escalabilidade: A topologia em estrela do BLE tem um limite máximo de periféricos que um único ponto central pode suportar, enquanto o LoRaWAN foi projetado para que um único gateway possa acomodar milhares de dispositivos finais — uma implantação em larga escala como a rede de 10 milhões de dispositivos da ZENNER não é realista sem o LoRaWAN. Ao mesmo tempo, como mostra o artigo da LIMA, a pesquisa sobre extensões de malha que compensam a restrição de salto único também está progredindo, e o projeto de topologia ainda está evoluindo.
• Se o suporte a múltiplos protocolos é necessário: SoCs que integram múltiplos padrões sem fio em um único chip, como o ESP32-C6 ou o CC2652R7, têm vantagem em produtos cujo caso de uso ainda não está definido ou que podem mudar de protocolo no futuro, enquanto chips focados em um único protocolo, como o SX1262 ou o nRF52840, têm vantagem na otimização de potência/sensibilidade quando restritos a esse esquema específico. A escolha entre suporte a múltiplos protocolos ou especialização em uma única função depende da priorização do custo de desenvolvimento ou do consumo de energia do produto final.

Referências

• Datasheet da série ESP32-C6 (oficial da Espressif)
• Especificação do produto nRF52840 (oficial da Nordic Semiconductor)
• Datasheet do LoRa Connect SX1261/2 (oficial da Semtech)
• Datasheet do CC2652R7 (oficial da Texas Instruments)
• Módulo LoRa MultiConnect mDot 915MHz (oficial da MultiTech)
• 10 milhões de sensores na rede LoRaWAN do Grupo Minol-ZENNER (LoRa Alliance/ZENNER press) Lançamento
• Aliança LoRa relata 125 milhões de dispositivos finais LoRaWAN implantados globalmente (oficial da Aliança LoRa)
• Aumento de malha de redes IoT baseadas em LoRaWAN (arXiv:2512.00161)
• A origem do nome Bluetooth, Harald I e Jim Kardach (História oficial do Bluetooth SIG)
• OFDM timing.svg (Wikimedia Commons)
• Css subchirp combinations.svg (Wikimedia Commons)
• ESP32 Espressif ESP-WROOM-32 Dev Board.jpg (Wikimedia Commons)

• Multitech-Conduit-y-mDot.jpg (Wikimedia Commons)

• Definições da camada física LE do grupo de interesse Bluetooth