Aplicação do protocolo ESP-NOW em antenas diretivas do tipo Yagi-Uda: uma abordagem para comunicação de longo alcance no sistema PGEN

Abstract

Este trabalho apresenta o estudo, desenvolvimento e validação de uma alternativa de comunicação sem fio para a expansão do sistema PGEN, voltado ao monitora- mento energético em instituições públicas de ensino. Diante das limitações de infra- estrutura encontradas em subestações remotas, especialmente em campi agrícolas, investigou-se a aplicação do protocolo ESP-NOW em modo Long Range, utilizando o microcontrolador ESP32-C6 e antenas diretivas Yagi-Uda produzidas em PCB. A me- todologia adotada envolveu a caracterização eletromagnética das antenas por meio do analisador vetorial de redes PocketVNA, a implementação de um sistema transmissor- receptor configurado para comunicação ponto a ponto, e a realização de testes expe- rimentais em campo aberto com distâncias variando de 50 m a 1 000 m. As medições incluíram parâmetros como RSSI, taxa de perda de pacotes, sequência de transmis- são, ganho das antenas e desempenho global do enlace. Os resultados demonstraram elevada robustez da comunicação até aproximadamente 900 m, com perda nula de pa- cotes e níveis de RSSI adequados para operação estável. Observou-se, contudo, que fatores ambientais incluindo desníveis do terreno, obstruções parciais e fenômenos de multipercurso influenciaram de maneira significativa o desempenho, levando a perdas abruptas no limite de 1 km, mesmo com RSSI relativamente alto. A análise permite concluir que a solução proposta é tecnicamente viável e representa uma alternativa prática, de fácil implementação para ampliar o alcance do PGEN em cenários com restrições de infraestrutura. O trabalho contribui para o avanço das tecnologias de monitoramento energético e abre possibilidades de expansão do sistema em ambien- tes rurais e distantes, bem como incentiva investigações futuras voltadas à melhoria da robustez e à adaptação do enlace para diferentes topologias e condições ambientais.

This work presents the study, development, and validation of a wireless communication alternative designed to expand the PGEN system, which is used for energy monitor- ing in public educational institutions. Considering the infrastructure limitations found in remote substations, especially on agricultural campuses, this research investigates the application of the ESP-NOW protocol in Long Range mode, using the ESP32-C6 microcontroller and PCB-based Yagi-Uda directional antennas. The adopted methodol- ogy involved the electromagnetic characterization of the antennas using a PocketVNA vector network analyzer, the implementation of a transmitter–receiver system config- ured for point-to-point communication, and the execution of experimental field tests with distances ranging from 50 m to 1,000 m. Measurements included parameters such as RSSI, packet loss rate, transmission sequence, antenna gain, and overall link perfor- mance. The results demonstrated high communication robustness up to approximately 900 m, with zero packet loss and RSSI levels adequate for stable operation. However, environmental factors—including terrain unevenness, partial obstructions, and multi- path phenomena—significantly influenced performance, leading to abrupt losses at the 1 km limit, even with relatively high RSSI values. The analysis indicates that the pro- posed solution is technically feasible and represents a practical and easily deployable alternative for extending PGEN’s reach in scenarios with infrastructure constraints. This work contributes to the advancement of energy monitoring technologies and opens opportunities for system expansion in rural and remote environments, as well as en- courages future investigations aimed at improving robustness and adapting the link to different topographies and environmental conditions.