Internet das Coisas do exagero a realidade

Internet of Things From Hype to Reality

Página Wiki com síntese de algumas ideias do livro (Rayes and Salam, 2019) .

O que é Internet das Coisas

A Internet das Coisas (IoT) pode ser considerada uma rede de dispositivos físicos, destacando:

• Sensores: para coletar informação.
• Identificadores: para identificar a fonte dos dados (ex. sensor, dispositivo).
• Software: para analisar dados.
• Conectividade com Internet: para comunicação e notificação.

A ideia principal da IoT é conectar coisas (sensores, dispositivos, máquinas, pessoas, animais, árvores, etc) e realizar processamento de dados através da Internet para fins de monitoramento e controle.

Em sua definição mais simples pode ser considerada a intersecção de coisas, dados e a Internet.

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Para uma definição mais completa, deveria ser incluído standards para permitir a integração de dispositivos de diferentes fabricantes.

Outros autores de referem a Internet das Coisas também como Internet de Tudo, ou Internet of Everything (IoE). Neste caso, IoE conecta:

• Pessoas: Conectando pessoas de modos relevantes.
• Dados: Convertendo dados em inteligência para tomar decisões melhores.
• Processos: Entregando a informação certa, para a pessoa certa ou para um máquina no tempo certo.
• Coisas: Dispositivos físicos e objetos conectados entre si e a Internet para a tomada de decisão inteligente, frequentemente chamada IoT.

A Internet que utilizamos hoje seria a Internet das Pessoas, a IoT seriam os dispositivos físicos conectados entre si e a Internet e a IoE seria a junção das duas. Entretanto, um conceito atual seria considerar IoT como a Internet das coisas (anything) ou de tudo (everything).

Como monitorar coisas em qualquer lugar do mundo?

Os requisitos básicos para IoT são:

• identificação única para as coisas;
• habilidade de comunicação entre as coisas;
• habilidade de sensoriamento (ou atuação) de alguma informação sobre as coisas.

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O monitoramento e/ou controle de um sistema de IoT pode ser realizado por pessoas ou máquinas.

Quatro níveis de referência para as soluções de IoT

• Dispositivos de IoT (coisas: sensores e atuadores);
• Rede de IoT (infraestrutura de transporte de dados);
• Plataformas de serviços de IoT (softwares conectando coisas e aplicações e provendo monitoramento do sistema);
• Aplicações de IoT.

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Dispositivos para IoT

Sensores

Sensores permitem detectar certas condições do ambiente (temperatura, umidade, pressão atmosférica, etc) e produzir uma saída. Muitas grandezas físicas são analógicas (p.ex. temperatura) e um sensor eletrônico geralmente produz uma valor analógico correspondente ao medido na forma de uma tensão elétrica.

Sensor Inteligente

Para um sensor poder interagir com um sistema de IoT é preciso que um valor analógico medido seja convertido para um valor digital, através de um Conversor Analógico Digital. Além disto, para poder ser transmitido pela Internet o sensor precisa ter uma interface de rede. Neste caso, a estrutura do sensor deve conter pelo menos três elementos: o sensor, um microcontrolador e a interface de rede. Com um microcontrolador o sensor pode ser incrementado, incluindo processamento local para filtrar e analisar os dados medidos antes enviar a Internet.

Características de um sensor para IoT

Aplicações de IoT requerem sensores pequenos e com funções avançadas para coleta de dados, além de processadores com baixo consumo de energia, baterias com longa duração e respostas rápidas.

Características desejadas para os sensores para IoT:

• Filtragem de dados: Habilidade de coletar dados e realizar filtragem mínima antes de enviar os dados a gateways ou outros sistemas.
• Baixo consumo de energia: Necessário para instalação em locais de difícil acesso para troca de baterias.
• Compacto: Para poder ser instalado em locais com limitações de espaço.
• Medição não invasiva: De forma a não interferir no ambiente físico a ser monitorado.
• Alta sensibilidade: Medição da menor variação possível da grandeza medida.
• Linearidade: Variação linear entre a grandeza medida e a saída do sensor.
• Faixa dinâmica de atuação (Dynamic Range): Faixa de atuação do sensor para a grandeza medida.
• Precisão (Accuracy): Máximo erro esperado na medição.
• Histerese: Quando o sensor não retorna o mesmo valor na saída para uma variação da entrada de alto par baixo (ou vice-versa).
• Limite de Ruído: Todo sensor produz algum ruído na saída para um dado sinal medido.
• Largura de Banda: Frequência máxima entre duas medidas.
• Alta Resolução: Detecção mínima da variação de uma medida.
• Mínima interrupção: Tempo mínimo para voltar a funcionar normalmente após uma interrupção.
• Alta confiabilidade: Confiabilidade dos dados medidos.
• Fácil de usar: Fácil instalação e funcionamento adequado assim que for ligado.

Identificação de um dispositivo de IoT

Uma maneira de identificar um dispositivo de IoT é utilizar um endereço IP para cada dispositivo. Entretanto, o IPv4 possui limitações do número de endereços possíveis para atender a questão de escala colocada pelos sistemas de IoT e o IPv6 ainda não está totalmente difundido.

Outra questão é que muitos dispositivos não possuem hardware e software suficientes para a implementação da pilha TCP/IP. Neste caso, os dispositivos podem ser identificados por seus respectivos gateways na Internet.

RFID

RFID (radio-frequency identification) é uma tecnologia que pode ser utilizada para identificar objetos a partir de informações gravadas em uma tag.

Um sistema de RFID possui duas partes, a tag e o leitor. A tag é formada por um microchip com informações gravadas e uma antena para receber e transmitir sinal. O leitor lê as informações gravadas na tag por meio de um rádio transmissor e receptor e passa para um programa para análise do códido RFID.

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A vantagem do RFID em relação a outras técnicas como código de barras é que a informação na tag pode ser facilmente regravada e a leitura pode ser feita a distâncias maiores. Tags passivas podem ser lidas por distâncias de até 10 metros e tags equipadas com sistemas de bateria podem ser lidas a distâncias de até 100 metros. Além disto, o leitor pode realizar a leitura de várias tags ao mesmo tempo.

Controle de um dispositivo

Um dispositivo de IoT pode ser monitorado e controlado de duas maneiras: localmente ou remotamente. Para o controle local o dispositivo deve possuir capacidade de processamento. Para o controle remoto o dispositivo realiza medidas e envia para a nuvem da Internet, onde um programa de monitoramento e controle envia ao dispositivo a ser controlado os comandos necessários.

Atuadores

Atuadores são dispositivos que podem realizar uma ação sobre o meio, como ligar ou desligar uma chave ou controlar a abertura de uma válvula.

Tipos de atuadores:

• Atuadores elétricos: Recebem comando através de um sinal elétrico, podem ser chaves eletrônicas ou micromotores elétricos.
• Atuadores mecânicos: Como chaves mecânicas para acionamento de válvulas, as quais podem ser acionadas também por micromotores.
• Atuadores hidráulicos e pneumáticos: Atuadores mecânicos que utilizam a compressão de líquidos ou gases para aumentar a força de atuação sobre o ambiente (Lei de Pascal).
• Atuadores manuais: Comandados manualmente, como chaves e válvulas.

Requisitos para protocolos de redes para IoT

Os dispositivos de IoT são limitados em termos de processamento, memória e provimento de energia, colocando restrições para a implementação de protocolos para comunicação em rede, em particular para implementar a pilha TCP/IP.

A crescimento massivo do número de dispositivos de IoT impõem vários requisitos para a implementação de protocolos de comunicação, incluindo formas de identificação dos dispositivos, resolução de nomes, segurança, protocolos de roteamento, além da questão do controle e gerenciamento da rede.

Identificação dos dispositivos

Um dos objetivos da IoT é integrar de maneira uniforme todos os dispositivos inteligentes conectados ao redor do globo. Isto requer uma identificação única de cada dispositivo. Para uso da rede IP, o endereçamento IPv4 não pode ser utilizado devido a limitação do número de endereços possíveis, restando, portanto, a necessidade acelerar a transição para o IPv6.

Determinismo e tempo real

Muitas aplicações de automação em IoT requerem comunicação determinística e com requisitos em tempo real, como controle veicular, controle de ferrovias, entre outros. Nestes sistemas, um requisito fundamental numa comunicação de pacotes é garantir a entrega correta de pacotes em um tempo estabelecido, o que requer diminuição do delay (atraso), perda de pacotes e jitter (diferença de atraso entre pacotes).

Segurança e privacidade

Também devido as limitações de hardware, novos algoritmos serão necessários para criptografia de dados e autenticação para os dispositivos de IoT. Os principais algoritmos lizados utiatualmente, como o AES (Advanced Encryption Standard) para transporte de dados confidenciais e o RSA (Rivest-­Shamir-­Adleman) para autenticação, não são possíveis de serem implementados na maioria dos dispositivos de IoT.

Referências

Evandro.cantu (discussão) 17h00min de 29 de abril de 2020 (-03)