Como a LoRa Tree melhora as comunicações subterrâneas

Desafio

As minas profundas estão entre os ambientes de trabalho mais exigentes do mundo. Os trabalhadores podem operar a profundidades de mais de um quilómetro no subsolo, onde qualquer acidente pode pôr vidas em risco. Monitorizar o estado das paredes das minas fortemente carregadas é fundamental, mas não é fácil. Tradicionalmente, as empresas mineiras dependem de engenheiros humanos para ler e registar os dados dos sensores geotécnicos subterrâneos. Isto significa que as leituras só podem ser efectuadas esporadicamente, sendo os dados disponibilizados para análise com intervalos de dias ou mesmo semanas. Para além de exigir técnicos qualificados, este método de recolha de dados pode ser propenso a erros humanos e resulta em análises incompletas, com pouca margem para a deteção de falhas de rápida evolução.

A introdução de tecnologias sem fios tem sido um avanço importante na exploração mineira subterrânea, permitindo que as minas eliminem as leituras manuais e detectem possíveis riscos de uma forma robusta e económica. No entanto, as intrincadas topologias dos ambientes subterrâneos dificultam a transmissão efectiva de dados. Túneis, curvas, vários níveis e longas galerias fazem com que as redes percam a força do rádio e a fiabilidade dos dados. As gateways, que necessitam de ligação à Internet para transmitir dados da mina para os centros de controlo, não podem ser instaladas nas profundezas das minas porque, normalmente, não estão disponíveis ligações à Internet. Isto faz com que seja difícil para as empresas de engenharia implementar soluções de monitorização robustas e económicas no subsolo.

A Mine Design Technologies (MDT), uma empresa líder em instrumentação geotécnica sediada em Ontário, Canadá, estava interessada em oferecer aos seus clientes mineiros uma opção melhor - e fez uma parceria com a Worldsensing para ter sucesso.

Solução

A MDT já estava familiarizada com a tecnologia da Worldsensing para ambientes de mineração a céu aberto. Nestes, as comunicações LoRa de longo alcance e baixo consumo de energia da Worldsensing são capazes de alcançar a transferência de dados sem fios a distâncias superiores a seis quilómetros.

No início de 2023, a Worldsensing lançou uma topologia de rede em árvore LoRa. Essa topologia de rede pode estender o alcance da comunicação por rádio de uma rede LoRa existente. O principal componente dessa topologia de rede é o repetidor de borda K20. O repetidor é capaz de receber um sinal de um nó e retransmiti-lo para um gateway em saltos de dados. Os repetidores podem ser colocados estrategicamente para superar obstáculos de sinal de rádio, como paredes, rampas e curvas.

Com o lançamento da rede em árvore LoRa da Worldsensing, a MDT e a Worldsensing fizeram uma parceria para implantar um sistema de monitoramento no Norcat Underground Centre, uma mina ativa usada para pesquisa e desenvolvimento em Sudbury, Ontário. A Figura 1 ilustra os testes de campo realizados. O objetivo era ampliar os limites da rede em árvore LoRa e permitir que nós distantes do gateway transmitissem dados com o mínimo de perda de dados.

A rede era constituída por 14 nós, ligados a dois inclinómetros in situ, 11 inclinómetros e um inclinómetro laser, distribuídos por três unidades de 200 metros de comprimento, interligadas entre si. A implantação começou na secção 1999 com a instalação do repetidor 1 (R1). O R1 foi capaz de retransmitir os dados para o gateway instalado na entrada da mina com um excelente sinal de rádio. A implantação continuou rapidamente para mais longe da porta de entrada com um segundo repetidor (R2) no início da secção de 1999. O R2 foi capaz de circum-navegar as curvas que conduzem à secção 1997 e transmitir os dados dos nós aí instalados.

Figura 1: Configuração do subsolo do NORCAT. A implantação incluiu 14 dispositivos de borda distribuídos em três galerias diferentes. Os nós transmitiam os dados de volta ao gateway usando uma topologia de rede LoRa Tree com dois repetidores de borda K20

Resultados

A implantação do Norcat produziu os seguintes resultados:

• A implantação foi capaz de transmitir dados de 14 nós, localizados em diferentes secções, utilizando apenas dois repetidores.
• A rede em árvore LoRa forneceu cobertura com uma perda de transmissão de 0,5%, o que é considerado ótimo na comunicação por rádio.
• Os repetidores na topologia em árvore LoRa não precisam estar voltados diretamente para o gateway para uma transmissão de rádio eficaz. Isso permite uma maior cobertura de rádio com uma implantação mínima de repetidores.
• Todos os registadores de dados da Worldsensing ligaram-se facilmente à rede, sublinhando a compatibilidade da carteira de dispositivos da Worldsensing com uma topologia em árvore LoRa
• Conectividade subterrânea até 200 m em ambiente subterrâneo complexo

Benefícios

Apesar de alguns problemas iniciais na adaptação da tecnologia aos regulamentos norte-americanos, os resultados iniciais têm sido excelentes, com os dados a serem transferidos sem falhas em toda a área de implantação. Apenas um pacote de dados foi perdido desde o início do teste, durante a fase de implantação, e os técnicos da MDT puderam explicar como e por que isso aconteceu.

A Worldsensing é o principal fornecedor de tecnologia de redes de monitorização geotécnica, com um conjunto inigualável de integrações de produtos que permite que as suas redes funcionem com a maioria dos principais fornecedores de sensores e de visualização de dados. Esta flexibilidade já está a ser utilizada para ajudar a melhorar a monitorização geotécnica e a segurança das infra-estruturas em ambientes acima do solo. A colaboração com a MDT demonstrou como os repetidores podem alargar a funcionalidade líder da Worldsensing ao subsolo.

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