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Uma Arquitetura Integrada de Referência a ser Adotada no Desenvolvimento de Soluções para Internet das Coisas, IoT

Authors:
  • Fundação de Apoio à Capacitação em Tecnologia da Informação

Abstract

Resumo-Após uma visão geral sobre IoT, sua relevância e crescimento 'exponencial' previsto para o futuro próximo, apresentam-se noções de monitoramento remoto. Prossegue-se discutindo possibilidades de implementação, inclusive se propondo uma Arquitetura de Referência. Como requisitos imperativos foram consideradas a efetividade econômica e eficiência energética. Em seguida, descreve-se uma rede integrada fim-a-fim, tendo, numa ponta, um conjunto de sensores; e, na outra, a Plataforma aberta dojot®-desenvolvida e mantida pelo CPqD. Encerra-se com a descrição de protótipo de uma estação meteorológica de baixo custo, como exemplo de aplicação dos conceitos apresentados. Palavras-Chave-Tecnologia da Informação, Internet das Coisas, Monitoramento Remoto, LoRaWAN, Microcontoladores. Abstract-After an overview of IoT, its relevance and 'exponential' growth foreseen for the near future, notions of remote monitoring are given A reference architecture is discussed. Cost effectiveness and energy efficiency have been considered important. Then, an integrated end-to-end network is described, having at one end a set of sensors and, on the other end, the Open Dojot® Platform-developed and maintained by the CPqD Foundation. A prototype of a low-cost meteorological station is presented, as an example of application of the concepts and technology presented.
XXXVII SIMPÓSIO BRASILEIRO DE TELECOMUNICAÇÕES E PROCESSAMENTO DE SINAIS SBrT2019, 29/09/201902/10/2019, PETRÓPOLIS, RJ
Marcos A. Goes, então Centro de Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI Renato Archer), e-mail: marcosagoes@gmail.com; Maurício S. Castro,
Fundação de Apoio à Capacitação em T.I. (FACTI), mauricio.castro@facti.com.br; Mauro L. Coimbra, FACTI, e-mail: mauro.coimbra@facti.com.br; Sergio
Celaschi, CTI Renato Archer, e-mail: sergio.celaschi@cti.gov.br Este trabalho conta com o apoio do FUNTTEL, do MCTIC, via Finep Projeto no 01.16.0053.00
Uma Arquitetura Integrada de Referência a ser
Adotada no Desenvolvimento de Soluções para
Internet das Coisas, IoT
Marcos A. Goes, Maurício S.Castro, Mauro L. Coimbra, Sergio Celaschi
Resumo Após uma visão geral sobre IoT, sua relevância e
crescimento ‘exponencial’ previsto para o futuro próximo,
apresentam-se noções de monitoramento remoto. Prossegue-se
discutindo possibilidades de implementação, inclusive se
propondo uma Arquitetura de Referência. Como requisitos
imperativos foram consideradas a efetividade econômica e
eficiência energética. Em seguida, descreve-se uma rede
integrada fim-a-fim, tendo, numa ponta, um conjunto de
sensores; e, na outra, a Plataforma aberta dojot® desenvolvida
e mantida pelo CPqD. Encerra-se com a descrição de protótipo
de uma estação meteorológica de baixo custo, como exemplo de
aplicação dos conceitos apresentados.
Palavras-Chave Tecnologia da Informação, Internet das
Coisas, Monitoramento Remoto, LoRaWAN, Microcontoladores.
Abstract After an overview of IoT, its relevance and
'exponential' growth foreseen for the near future, notions of
remote monitoring are given A reference architecture is
discussed. Cost effectiveness and energy efficiency have been
considered important. Then, an integrated end-to-end network is
described, having at one end a set of sensors and, on the other
end, the Open Dojot® Platform - developed and maintained by
the CPqD Foundation. A prototype of a low-cost meteorological
station is presented, as an example of application of the concepts
and technology presented.
Keywords Information Technology, Internet of Things,
Remote Sensing, LoRaWAN, Microcontrollers.
I. INTRODUÇÃO
Com a dramática evolução da Microeletrônica, da
Automação Industrial e das Telecomunicações, e a rápida e
quase ubíqua presença da Internet facilitada ainda por
dispositivos handheld mais baratos, a IoT tornou-se uma
consequência natural daqueles: A sua versatilidade e benefícios
que proporciona são abrangentes, como será discutido adiante:
Do Ensino a Distância, EAD agora visto como complemento
essencial no processo de se reinventar a Educação no Brasil,
Erro! Fonte de referência não encontrada.. Erro! Fonte de
referência não encontrada., [3] à Indústria 4.0 na qual o
controle dos processos é peça-chave, exige variados tipos de
sensores, organizados em diversas camadas de integração, os
quais, por sua vez, geram um volume de dados só tratáveis via
uso de Tecnologia de Informação, T.I., [5]. É este o contexto
do universo IoT.
II. INTERNET DAS COISAS: UMA VISÃO GERAL
Uma conceituação bastante esclarecedora do que seja a IoT
foi dada por Pierre Chrzanowski, em 2012, citado em Erro!
Fonte de referência não encontrada.: A Internet das Coisas é
um ambiente ultra-conectado, que permite infinitas interações
entre objetos físicos dispersos e suas representações virtuais
compreendendo uma rede de redes que permitem, por meio de
sistemas eletrônicos de identificação e/ou de dispositivos
móveis sem fio, identificar objetos físicos e, assim, recuperar,
armazenar, transferir e tratar, sem descontinuidade entre os
mundos físico e virtual, os dados relacionados.
Tal ultra conectividade tornou-se viável pela
disseminação de microcontroladores e equipamentos que se
comunicam, entre si M2M (Machine to Machine
Communication) e/ou com humanos (H-M-C, human to
Machine communication), Erro! Fonte de referência não
encontrada. Tipicamente, numa aplicação de IoT, cada
‘objeto’ envia mediante algum dispositivo/canal de
comunicação, de forma automática, contínua ou periódica, ou
na ocorrência de algum evento informações a um servidor
remoto. Compõem tais informações, em geral, dados que o
identificam de forma única e inequívoca na rede e uma ou mais
informações detectadas por seus sensor(es), ou acusando ter
efetuado alguma ação que lhe tenha sido ordenada, de forma
remota, no caso de o objeto ser um ‘atuador’. Assim:
Na Indústria, sensores podem ser colocados ao longo
de toda a linha de produção, em controle, ativo ou
passivo, da produção/qualidade dela.
Em Logística e Distribuiçao, na identificação,
separação, conferência, empacotamento, expedição,
permitindo o rastreamento até a entrega ao comprador,
ou até o acompanhamento da logística reversa, no
caso, por exemplo, de necessidade de reparos;
Na Agricultura de Precisão, apoiando o gerenciamento
de ativos e toda a cadeia da semeadura às vendas.
Em Medicina, além de vários dos benefícios já citados
acima, destaca-se o acompanhamento, em tempo real
ou periódica, dos sinais vitais e outros parâmetros de
interesse relativos aos pacientes, o controle acurado e
tempestivo de ministração de medicamentos, inclusive
o rastreamento de pacientes com Mal de Alzheimer
/demência senil, por exemplo;
Por fim, e não menos importante, a IoT será, cada vez
mais, ferramenta importante para viabilizar a atuação
eficaz do Poder Público, nos limites de sua
competência e obrigações constitucionais, com a
economicidade, acuidade e impessoalidade que devem
caracterizar a gestão pública; sendo as funcionalidades
de serviços relativos à Saúde Pública (por exemplo,
controle de vacinas e vacinados) e de Mobilidade
Urbana que culminam com os ‘veículos inteligentes
autoguiados’ – são um exemplo eloquente.
A. IoT em Educação
No inspirador texto de Andrew Meola, How IoT in
changing the way we Learn, de 2016, abrem-se várias
possibilidades de uso, [6]. Diz ele: “O advento da tecnologia
móvel e da IoT permite que as escolas melhorem a segurança
de seus ‘campi’, rastreiem os seus principais recursos (na
acepção de bens materiais) e melhorem o acesso à informação.
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Os professores podem até usar essa tecnologia para criar
"planos inteligentes de aula", em vez dos tradicionais planos
estoicos do passado.” Como destaca Meola, os benefícios do
uso de IoT e de suas tecnologias correlatas podem ser
observados em todos os níveis de Educação do Ensino
Infantil até aos programas de Doutoramento:
Balica et al. Destacam a duplicidade de tais benefícios,
dizendo ele, [7]:
Para os alunos, Viabilizando um processo de
aprendizagem que lhes permite e proporciona atividades
autogovernadas e de resolução de problemas; tornadas ainda
mais eficazes por se valer de novos recursos tais como
conteúdo (também) sob a forma de vídeo e jogos educativos
(“gamification”), [8], bem como da colaboração interativa com
professores e colegas. Já há diversas iniciativas como essas no
Brasil, tendo, inclusive, a preocupação de se priorizar o uso de
plataformas abertas de software.
Para os educadores que tiverem uma posição positiva
quanto a essa nova realidade, resultam, como benefícios
diretos, o fato de passarem a ter todo um conjunto de novos
recursos e canais de comunicação e de interatividade com seus
alunos os quais, inclusive, não ficam adstritos aos limites
físicos da sala de aula.
Mesmo na eventualidade de se contar com algum aluno
com necessidades especiais, já há vários recursos tecnológicos
que viabilizam atividades extraclasse: Por exemplo, há vários
aplicativos para microcomputadores e ‘tablets’ que ‘leem’, em
‘voz’ alta, os textos digitalizados que o aluno deficiente
visual ou cego poderá ouvi-los. Mais ainda, mesmo textos
impressos livros, por exemplo podem ser ‘lidos’ com um
software desenvolvido no país, [9], que pode ser baixado
gratuitamente para celulares ou ‘tablets’ com sistema
operacionais Android* ou iOS**, [10], [11], [12]
*Android é uma marca registrada da Google LLC
**iOS é uma marca registrada da Apple Inc.
Destacam, ainda, a importância da participação ativa e a
interação de todos, bem como a liberdade/possibilidade de o
aluno escolher os modos de aprender.
III. ARQUITETURAS SISTÊMICAS VOLTADAS À IOT
Compõem um ambiente IoT:
Sensores: São dispositivos eletrônicos / eletro-eletrônicos /
eletromecânicos / eletroquímicos etc. que têm como função
detectar uma ou mais grandezas físicas do mundo real,
transformando-as em níveis/sinais analógicos ou digitais.
Atuadores: Um atuador é um ‘motor’ – na acepção ampla
do termo que converte energia em torque (ou em algum
deslocamento linear), movendo ou controlando um
mecanismo ou um sistema ao qual ele foi incorporado.
Pode ser utilizado tanto para introduzir movimento como,
por exemplo, abrir ou fechar uma válvula de controle de
algum fluido ou restringi-lo/impedi-lo como no caso de
algum sistema de travamento automático.
Um atuador geralmente funciona com estímulos elétricos
ou com algum comando de variação de pressão (como no
caso de sistemas hidráulicos ou em sistemas pneumáticos).
[13]
Conectividade: Os sinais recebidos devem ser
transportados por um ou (em geral) mais de um tipo de rede
de comunicação de dados, tais como redes cabeadas
(metálicas ou ópticas) e, principalmente, sem fio (wireless),
WiFi, Bluetooth, BLE, LoRa etc., uma vez que a Internet
das Coisas visa, essencialmente, o monitoramento (ativo ou
passivo) de entes remotos.
Processos (ou seja, outras ‘máquinas’) e/ou Pessoas:
Entradas em rede são orquestradas, pré-formatadas,
agregadas, sendo, então, combinadas em um sistema
bidirecional que integra dados, pessoas e processos para
uma melhor tomada de decisão. Algum aparato
eletrônico de interface com o usuário: tipicamente, algum
dispositivo móvel tablet, smartphone ou algum
dispositivo ‘vestível’ (wearable devices).
A Figura 1, a seguir, apresenta uma visão topológica de
uma arquitetura típica para IoT, sendo, na Figura 2,
apresentada uma visão funcional de alto nível de um sistema
voltado à IoT.
Fig. 1. A visão topológica de uma arquitetura de IoT, seguindo o
fluxo de dados [13].
Fig. 2. A visão funcional de alto nível de um sistema voltado à
Internet das Coisas [14].
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Os Estágios 1 e 2 (stages 1 e 2, na Figura em comento) estão
dispostos, obviamente, nos locais onde ocorrem as atividades
sendo monitoradas e/ou controladas. Independentemente se os
sensores monitoram o ambiente externo aos equipamentos ou
se estão conectados a eles, via de regra, são, na verdade,
submódulos, contendo algum tipo de data logger e alguma
infraestrutura própria de conectividade (em geral, WiFi IEEE
802.11X). Entende-se po data logger (também datalogger,
registrador de dados ou gravador de dados) “é um dispositivo
eletrônico que registra dados ao longo do tempo ou em relação
à localização, seja com um instrumento ou sensor embutido,
seja por instrumentos e sensores externos. Atualmente,
costumam ser pequenos, microprocessados, dispondo de
razoável memória interna para armazenamento de dados, sendo
alimentados por bateria”, [15].
O Estágio 3, ainda que possa ocorrer já nos escritórios do
responsável pelo monitoramento, frequentemente é feito ainda
nas proximidades de onde os sensores e/ou atuadores estão
localizados, por vários motivos sendo o principal deles a
otimização do(s) canal(ais) de telecomunicações, de forma a se
ter maior efetividade econômica; ou, até mesmo, quando a
comunicação a baixas taxas de transmissão de dados for a única
possível ou economicamente viável. O Estágio 4 é
especialmente relevante em aplicações voltadas à IoT, por
vários motivos: Constitui-se o ente de convergência das fontes
geradoras/transdutoras de informações, que na maioria das
situações no mundo real, encontram-se espalhadas em uma
grande área geográfica. É nele que, na maioria dos casos, são
realizados vários serviços especializados, que demandam
infraestrutura e recursos computacionais (hardware e software)
de porte significativo os quais, se realizados individualmente
‘nas pontas’ (usuários finais), seriam técnica e/ou
financeiramente inviáveis. Comuns que são a vários clientes
e/ou aplicações, tornam-se economicamente efetivos, por
poderem ser compartilhados com uma grande quantidade de
‘usuários finais’ entendidos aqui, neste contexto, no seu
sentido amplo: abrangendo sociedades empresárias e/ou
usuários finais.
IV. ARQUITETURA SISTÊMICA ADOTADA NO PROJETO
A seguir, apresenta-se a arquitetura adotada pelos autores
(Figura 3). Por essa arquitetura, os sinais elétricos (analógicos
ou digitais) gerados pelos diferentes sensores são ‘lidos’ pelas
portas analógicas ou digitais, respectivamente, pela unidade
remota microcontrolada, que faz o polling em cada porta,
armazenando tais valores em diferentes variáveis. Os
conteúdos dessas variáveis são armazenados em uma memória
em estado sólido (por exemplo, em um cartão microSD), sendo
periodicamente transmitidos ao gateway LoRa. Tanto a
gravação no cartão quanto a transmissão de dados têm sua
frequência (periodicidade) de ocorrência parametrizável. Tais
informações gravadas e/ou enviadas ao gateway consistem-
se em strings (sequência de caracteres) hexadecimais.
O rádio acesso LoRa permite que o conjunto de sensores e
o terminal remoto distem vários quilômetros do gateway.
O gateway as recebe e as encaminha para o servidor LoRa
WAN [16], valendo-se de conectividade IP. Este servidor
poderá ser usado, também, como um repositório desses dados,
e para seu pré-processamento, se o caso.
O servidor faz a análise e a interpretação (parsing) dos
dados recebidos como strings em hexadecimal, identificando e
separando os diferentes tipos de dados, que são, em seguida,
transmitidos à plataforma dojot, também via conectividade IP.
Observe-se que, na implantação física, o gateway LoRa, o
Sevidor LoRaWAN e a máquina onde estiver instalada a
plataforma dojot podem estar a quilômetros de distância,
eventualmente em qualquer lugar do planeta.
A incorporação da dojot à arquitetura sistêmica escolhida é
de fácil entendimento, por suas inúmeras vantagens e pelo
quanto facilita o desenvolvimento de soluções voltadas à
Internet das Coisas, por recursos tais como os destacados, a
seguir, por seus próprios autores:
APIs abertas tornando o acesso fácil das aplicações aos
recursos da plataforma;
Armazenamento de grandes volumes de dados em
diferentes formatos;
Conexão e coleta de dados de dispositivos;
Construção de fluxos de dados e regras de forma
visual, permitindo a rápida prototipação e validação de
cenários de aplicações IoT;
Processamento de eventos em tempo real, aplicando
regras definidas pelo desenvolvedor.
As aplicações podem, complementarmente, serem
disponibilizadas por serviços oferecidos em nuvem.
Um protótipo foi construído e testado, com múltiplos
propósitos, a saber:
i. Validar a concepção proposta;
ii. Aprofundar os conhecimentos sobre cada um dos
elementos constituintes da arquitetura em especial, da própria
plataforma dojot;
iii. Consolidar os conhecimentos quanto à integração dos
diversos blocos constituintes da arquitetura de referência.
A Figura 4 mostra a interface de usuário da Plataforma
dojot® no modo de apresentação de gráficos com a evolução
dos parâmetros medidos pela ‘estação meteorológica de baixo
custo’, para a qual foram utilizados o microcontrolador
Arduino®, e sensores de umidade, temperatura e pressão.
Foi desenvolvida tendo como principal objetivo validar a
conectividade LoRa.
Uma vez concluída a demonstração de envio de dados para
a dojot, passou-se à etapa de extração dos dados coletados para
posterior análise. Neste sentido, foi feito um script em
linguagem Python para execução de alguns comandos das APIs
[17] expostas pela dojot: autenticação na plataforma dojot,
leitura de dispositivos (devices), leitura de dados recebidos
Fig. 3. A arquitetura (simplificada) adotada no projeto desenvolvido.
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pela dojot correspondentes aos atributos do device, geração de
tabelas (arquivos texto csv) com dados dos atributos e registro
de data/hora (timestamp).
V. CONCLUSÕES
Neste trabalho discorreu-se sobre a conceituação e a
contextualização de arquiteturas sistêmicas, enfatizando-se,
também, a importância da sua correta definição para o pleno
atendimento das funcionalidades e desempenho esperados para
o sistema ao qual uma dada arquitetura se refere além de sua
relevância em termos de factibilidade e efetividade econômica.
Apresentada uma visão mais ampla das arquiteturas, foram
tecidas considerações sobre as características comuns à grande
maioria das soluções sistêmicas propostas para o universo da
Internet das Coisas. Particularizando-se ainda mais, deteve-se
uma proposta de arquitetura sistêmica de referência para IoT;
merecendo especial destaque o fato de fazer parte dela a
Plataforma dojot, desenvolvida e em contínua evolução
pela Fundação CPqD. O testes unitários e integrados validaram
a arquitetura de referência proposta.
AGRADECIMENTOS
Os autores agradecem o apoio dado a este trabalho,
desenvolvido no âmbito do projeto projeto “Plataforma Aberta
para IoT e suas Aplicações”, que conta com o apoio do
FUNTTEL, do MCTIC, via Finep Projeto nº 01.16.0053.00 e
é conduzido pelo CPqD, como executor, em parceria com
outras instituições de ciência e tecnologia: Centro de
Tecnologia da Informação Renato Archer (CTI), Fundação de
Apoio à Capacitação em Tecnologia da Informação (FACTI) e
Instituto Atlântico.
REFERÊNCIAS
[1] https://www.ead.com.br/ead/expansao-ead-brasil.html
[2] https://educacao.estadao.com.br/noticias/geral,educacao-a-distancia-
uma-nova-realidade,880620
[3] http://educacaopublica.cederj.edu.br/revista/artigos/educacao-a-
distancia-desafio-e-perspectivas
[4] https://www.citisystems.com.br/industria-4-0/
[5] Aspects of Human-Machine-Communication. Manfred Lang University
of Technology Munich Germany CRIMFORWISS
[6] Meola,A.. How IoT in Education Is Changing the Way We Learn.
http://www.businessinsider.com/internet- of-things-education-2016-9
[7] Balica, L. et. Al. ‘The Impact Of Internet-Of-Things In Higher
Education’. Scientific Bulletin – Economic Sciences, Volume 16/ Issue
1. 2017.
[8] http://economic.upit.ro/repec/pdf/2017_1_6.pdf
[9] Projeto DTITA- Desenvolvimento de Tecnologia e Inovação em
tecnologia Assistiva. https://www.cti.gov.br/pt-br/dtita.
[10] Metodologia de Desenvolvimento de Jogos Sérios: Especificação de
Ferramentas de Apoio Open Source; Revista Brasileira de Informática
na Educação - v.24 - n.3 2016, disponível em
http://cev.org.br/biblioteca/metodologia-de-desenvolvimento-de-jogos-
serios-especificacao-de-ferramentas-de-apoio-open-source
[11] Castro, m. S. et al... Leitor Digital Autônomo para Cegos. In: VII
Congresso Brasileiro de Educação Especial, 2016, São Carlos - SP.
Leitor Digital Autônomo para Cegos, 2016.
[12] Celaschi S. et al.(2017) Read It Aloud to Me. In: Antona M., Stephanidis
C. (eds) Universal Access in HumanComputer Interaction. Designing
Novel Interactions. UAHCI 2017. Lecture Notes in Computer Science,
vol 10278. Springer, Cham. Print ISBN 978-3-319-58702-8 Online
ISBN 978-3-319-58703-5
[13] http://www.tigertek.com/servo-motor-resources/how-actuators-work-
in-motion-control.html
[14] Adaptado de https://www.quora.com/What-is-IoT-architecture
[15] Traduzido e adaptado de https:// www.ibm.com/developerworks/
library/iot-lp201-iot-architectures/index.html
[16] https://github.com/gotthardp/lorawan-server
[17] https://www.infoworld.com/article/3269878/apis/what-is-an-api-
application-programming-inter faces-explained.html
Fig. 4. Interface de usuário da plataforma dojot e exibição de dados
coletados de sensores.

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