IOT, internet das coisas, o que o futuro nos espera UNIVERSIDADE TECNOLÓGICA FEDERAL DO PARANÁ CURSO DE PÓS GRADUAÇÃO ENGENHARIA EM AUTOMAÇÃO E PROCESSOS INDUSTRIAIS LAÉRCIO RODRIGUES laerciotmi@gmail.com Resumo O crescimento de objetos inteligentes com capacidade de sensoriamento, processamento e comunicação tem aumentado muito nestas últimas décadas, neste cenário a internet das coisas ( Internet Of Things (IOT)), dispositivos, carros, prédios, uma casa, qualquer coisa usando Arduino, sensores e programação Python ou qualquer outro tipo de programação principal, é tudo isso em uma rede de internet e coletando esses dados processados a internet das coisas permite que objetos coletados entrar remotamente a outro e que eles sejam controlados remotamente através da internet, criando assim oportunidades entre o mundo físico e o mundo virtual. A IOT possibilita uma grande quantidade de novas aplicações, as quais tanto a academia quanto a indústria poderão tirar benefícios, tais como, saúde, hospitais como hoje se vê cirurgias por vídeo conferência tudo isto graças a tecnologia embarcada em equipamentos. Além disso, aplicações de IOT precisam tratar de questões de como coletar, armazenar, processar e extrair conhecimento de dados obtidos dos objetos inteligentes. Palavras-chave: evolução, comunicação e estrutura construtiva IOT. Introdução Por comparação, a internet se encontra no caminho de desenvolvimento e do aprimoramento, mudou pouco, essencialmente continua fazendo o que foi projetada para fazer durante a era da ARPANET, no início como exemplo existiam vários protocolos de comunicação, incluindo Apple Talk, Token Ring e IP. Hoje é usado na internet, como o protocolo padrão o IP. Neste contexto, a IOT torna-se imensamente importante, pois é a primeira evolução real da internet, salto que está levando a aplicações revolucionárias com potencial de melhoras consideravelmente a forma de viver das pessoas, aprendem, trabalham e se divertem. A IOT, já transformou a internet em algo sensorial, (temperatura, pressão, vibração, iluminação), permitindo que sejamos mais proativos e menos reativos. A internet se expandiu para locais que até agora eram inatingíveis. Pacientes estão ingerindo dispositivos eletrônicos da internet em seus próprios corpos para ajudar a medicina a diagnosticar e determinar as causas de determinadas doenças. Com a nanotecnologia, sensores muitos pequenos podem ser colocados em plantas, animais, em recursos geológicos e em seguida serem conectados à internet. 1. Evolução A evolução dos seres humanos se define pela comunicação. Após a descoberta do fogo e compartilhado não precisou ser redescoberto, apenas comunicado. O exemplo da era moderna foi a descoberta da estrutura da hélice do DNA, as moléculas que carregam informações genéticas de geração para outra. Após um periódico publicar o artigo cientifico de James Watson e Francis Crick em abril de 1953, a medicina e a genética aproveitaram essas informações para dar passos gigantescos.
O princípio do compartilhamento de informações e o aproveitamento das descobertas é melhor compreendido ao examinar como os humanos processam dados (ver figura 1). De baixo para cima, as camadas da pirâmide incluem dados, informações, conhecimento e sabedoria. Dados são matéria prima de informações processadas, dados individuais e sozinhos são inúteis, mais em volumosos números podem nos identificar padrões e tendências. Para formar o conhecimento essas e outras fontes de informações são unidas. O conhecimento na forma mais simples é composto por informações das quais alguém tem conhecimento. Somados a experiência, a sabedoria surge do conhecimento. Sabendo que o conhecimento muda com o tempo, e tudo começa com aquisição de dados. Figura 1 Importante observar que existe uma relação direta entre a entrada (dados) e a saída (sabedoria). Quanto mais dados são criados, mais conhecimento e sabedoria as pessoas obtêm. A IOT tende a aumentar consideravelmente a quantidade de dados disponível para processamento. Tudo isso, juntamente com a capacidade da internet de comunicar esses dados, permite que as pessoas avancem ainda mais, [Dave Evans 2011]. 2. Motivação e manutenção da evolução da IOT Quando conectamos objetos com diferentes recursos a uma rede, potencializa o surgimento de novas aplicações. Neste sentido conectar esses objetos a internet significa criar a internet das coisas. Os objetos na IOT provem da comunicação entre usuários, dispositivos. Emerge neste sentido uma nova gama de aplicações, tais como coleta de dados de pacientes e monitoramento de idosos, sensoriamento de ambientes de difícil acesso e inóspitos, entre outras [Sundmaeker et al.2010]. Neste cenário, a possibilidade de novas aplicações é crescente, mas temos novos desafios de conectar à internet objetos com restrições de processamento, memória, comunicação e energia [Loureiro et al. 2003]. Naturalmente, nestes casos objetos são heterogêneos, isto é, divergem em implementação, recursos e qualidade. Algumas das questões teóricas quanto praticas que surgem são, por exemplo, prover o endereçamento aos dispositivos, encontrar rotas de boa vazão e que usem parcimoniosamente os recursos limitados dos objetos. Deste modo, fica evidente a necessidade da adaptação dos protocolos existentes. Além disso, sabe-se que os paradigmas de comunicação e roteamento nas redes inteligentes podem não seguir os mesmos padrões de uma rede como a internet [Chauchi 2013].
Os objetos inteligentes possuem papel fundamental na evolução da IOT, isto porque possuem capacidade de comunicação aliados a sensores, os quais transformam a utilidade destes objetos. Não só computadores convencionais estão conectados à grande rede, também uma grande variedade de equipamentos, como Tvs, laptops, automóveis, smartphones, consoles de jogos, webcams, e a lista aumenta a cada dia, neste cenário, a diversidade é crescente e as previsões dão indicativos, figura 2, que mais de 50 bilhões de dispositivos estarão conectados até 2020 [Forbes 2014]. Será possível usando recursos desses objetos detectar seu contexto, controla-lo, viabilizará troca de informações uns com os outros, acessar serviços de internet e interagir com pessoas. Com isso novas possibilidades de aplicações surgem (ex: cidades inteligentes (Smart Cities), saúde (Healthcare), casas inteligentes (Smart Home)) e novos desafios surgem (regulamentações, segurança, padronizações). É importante deixar claro que um dos elementos cruciais para o sucesso do IOT, encontra-se na padronização das tecnologias. Permitindo uma heterogeneidade de dispositivos conectados à internet cresça, tornando a IOT uma realidade. Figura 2 3. Blocos Básicos de Construção da IOT A IOT é vista como a combinação de diversas tecnologias, no sentido de viabilizar a integração dos objetos, são complementares no ambiente físico ao mundo virtual. 1.3. Identificação: é um dos blocos mais importantes, é primordial identificar os objetos unicamente para conecta-los a internet. Tecnologias como RFID, NFC (Near Field Communication) e protocolo IP podem ser empregados para identificar os objetos.
2.3. Sensores e atuadores: as informações são coletadas pelos sensores, sobre o contexto onde os objetos se encontram e, na sequência, armazenam encaminham esses dados para data Warehouse, Clouds ou mesmo centro de armazenamento. Ambiente pode ser manipulado por atuadores ou reagir de acordo com os dados lidos. 3.3. Comunicação: referente às diversas técnicas usadas para conectar objetos inteligentes. Desempenha papel importante no consumo de energia dos objetos sendo, portanto, fator crítico. WiFi, Bluetooth, IEEE 802.15.4 e RFID, são algumas das tecnologias usadas. Computação: Inclui a unidade de processamentos, microprocessadores, controladores e FPGAs, hardware responsáveis por executar algoritmos locais nos objetos inteligentes. 4. Arquitetura para IOT Para bilhões de objetos inteligentes estar conectados à internet, à necessidade de uma arquitetura flexível. Na literatura, existe uma variedade de propostas de arquiteturas sofisticadas, que se baseiam nas necessidades da academia e indústria [AL-Fugaha et al. 2015]. A arquitetura básica apresenta três camadas. A primeira é a de objetos inteligentes, camada de percepção, representa os objetos fiscos, os quais utilizam sensores para coletarem e processarem informações. As abstrações das tecnologias de comunicação, serviços de gerenciamento, roteamento e identificação são realizados na camada de rede. 5. Dispositivos e Tecnologias de Comunicação Detalhes a arquitetura básica dos dispositivos inteligentes e as tecnologias de comunicação sem fique se popularizaram no ambiente de IOT. 1.5. Unidades de processamento/memória: composta de uma memória interna para armazenamento de dados e programas, um microcontrolador e um conversor analógico/digital para receber sinais dos sensores. 2.5. Unidades de comunicação: consiste de um canal de comunicação com ou sem fio, atualmente sem o mais comum o sem fio, a maioria das plataformas usam comunicação via rádio de baixo custo e potência. 3.5. Fonte de energia: responsável por fornecer energia aos componentes do objeto inteligente, consiste normalmente de uma bateria (recarregável ou não), e um conversor AC-DC. 4.5. Unidades sensores atuadores: realizam o monitoramento do ambiente o qual o objeto se encontra, os sensores capturam valores de grandezas físicas como temperatura, umidade, pressão e presença, atuadores como indica o nome, são dispositivos que produzem uma ação, atendendo a comandos que podem ser elétricos ou mecânicos. 6. Tecnologias de comunicação Principais tecnologias de comunicação utilizadas em IOT. 1.6. Ethernet: oficializado pela IEEE em 1983 o padrão Ethernet (IEEE 802.3), está presente em grande das redes locais com fio existente atualmente, sua popularidade se deve a simplicidade e baixo custo de manutenção. 2.6. Wi-Fi: bastante popular a tecnologia Wi-Fi é uma solução de comunicação sem fio, pois está presente nos mais diversos lugares, fazendo parte do cotidiano de casas, escritórios, industrias, lojas e até espaços públicos das cidades, o Wi-Fi foi desenvolvido como uma alternativa ao padrão cabeado Ethernet, dispositivos que possuem consumo energético limitado ouve pouca preocupação, é o caso das aplicações para IOT, portanto, não se espera que muitos dispositivos utilizados em IOT adotem o padrão Wi-Fi como principal protocolo, a principal desvantagem do Wi-Fi é o maior consumo de energia, quando comparado com outras tecnologias sem fio. 3.6. ZigBee: baseado na especificação do protocolo IEEE 802.15.4 para a camada de enlace. Com baixa vazão, reduz o consumo energético e baixo custo, opera na frequência 2.4 GHz (faixa ISM), essa tecnologia ZigBee, permite que os dispositivos entrem em modo sleep por longos intervalos de tempo para economizar energia. Já é adotado em aplicações residenciais e comerciais e sua utilização em IOT depende de um gateway, dispositivo responsável por permitir a comunicação entre dispositivos.
a. 3G/4G: os padrões de telefonia celular 3G/4G também podem ser aplicados a tecnologia IOT. Projetos que precisem alcançar longas distancias podem aproveitar as redes de telefonia, porem o consumo energético em comparação a outras tecnologias é auto. No Brasil, as frequências utilizadas para 3G são 1900 MHz e 2100 MHz (UMTS), frequência de 2500 MHz (LTE) padrão 4G. padrão 3G alcança uma taxa de comunicação de 1Mbps e no padrão 4G 10Mpbs. 7. Perspectivas e desafios sobre os objetos inteligentes A evolução nas tecnologias de hardware utilizadas em RFID, RSSF, e consequentemente na IOT impressiona quando voltamos a última década. Com o advento da nanotecnologia os dispositivos estão cada vez menores e possuem recursos ainda maiores. Pode se esperar que a evolução continue e, em um futuro próximo veremos outras tecnologias de hardware. Protocolo Alcance Frequência Taxa IPv6 Topologia Ethernet 100/2000m N/A 10 Gbps Sim Varia Wi-Fi 50m 2.4/5 GHz 1300 Mbps Sim Estrela BLE 80m 2.4 GHz 1 Mbps Sim* Estrela/Mesh ZigBee 100m 915 MHz/2.4 GHz 250 kbps Sim Estrela/Mesh 3G/4G 35/200 km 1900/2100/2500MHz 1/10 Mbps Sim Estrela SigFox 10/50 km 868/902MHz 10 1000 bps LoraWan 2/5 km Sub-GHz 0.3-50 kbps Sim Estrela 8. Metodologia Este estudo utilizou-se de uma análise de referencial teórico e de outros estudos já realizados, [Marcio F. Rosa et al.], [Dave Evans 2011], [Bruno P. Santos, et al. 2014]. Assim, para realização da pesquisa, foram analisados 8 artigos distribuídos: - 2 artigos do site IEEE, Internet of Things. - 5 artigos publicados em sites e revistas de referência em tecnologia e inovação. - 1 livro O Algoritmo Mestre (Pedro Domingos 2017). 9. Conclusão Os principais desafios de IOT são: Segurança. Privacidade Fraudes Infraestrutura criticas M2M, Machine to Machine Padronização E necessário pensar em segurança do ponto de vista. Do dispositivo Da arquitetura Da informação Da comunicação Da gestão de Paths Necessário pensar na segurança e proteção dos dispositivos de ponta a ponta. Ter em mente que os dispositivos podem: Não estarem acessíveis, um dispositivo pode não estar conectado na maioria das vezes Não gerenciar criptografia, o processamento dos dispositivos é limitado Ter um tempo de vida útil, gestão das credenciais, vinculadas ao tempo de vida.
Desafios Uma ferramenta...
Referências Internet das Coisas: da Teoria à Prática, [Bruno P. Santos et al. 2011] Bruno P. Santos, Lucas A. M. Silva, Clayson S. F. S. Celes, João B. Borges Neto, Bruna S. Peres, Marcos Augusto M. Vieira, Luiz Filipe M. Vieira, Olga N. Goussevskaia e Antonio A. F. Loureiro Departamento de Ciência da Computação Universidade Federal de Minas Gerais (UFMG) Belo Horizonte, MG, Brasil A internet das Coisas Como a próxima evolução da internet está mudando tudo, [Dave Evans 2011]. A internet das coisas: será a internet do futuro ou está prestes a se tornar a realidade do presente? [Prof. Claudio R. Magalhães et al. 2014], Prof. Claudio Roberto Magalhães Pessoa, Prof. Doutor George Leal Jamil Colaboradores: Thiago Geremias, Pedro Henrique da Silva Santos, Mario Marcio Figueiredo Rosa, Thalita Bento da Silva O Algoritmo Mestre [Pedro Domingos 2017]