O papel crítico dos Gateways IoT

Gateways IoT

Durante os primórdios da construção das redes, o termo “gateway” significava essencialmente hardware capaz de realizar tradução de protocolo. À medida que a Internet evoluiu, roteadores e switches se tornaram as engrenagens de rede dominantes, e quase esquecemos os gateways, até recentemente, com o advento da Internet das Coisas (IoT).

Hoje, é quase impossível projetar um caso de uso de IoT sem usar um gateway. Dependendo do escopo da arquitetura, pode haver vários gateways, cada um desempenhando uma função diferente. Não é de admirar que se espere que o mercado de gateway de IoT em rápida expansão venda mais de 139 milhões de unidades até 2021. Essas descobertas são da ABI, no relatório M2M/IoT Routers and Gateways, QTR 3 2019..

O que tornou os gateways tão cruciais para a IoT?

Os Gateways de IoT são mais que simples ‘Gateways’

Na sua forma mais simples, um gateway IoT pode ser apenas um  hardware ou software para coletar e agregar dados de dispositivos de entrada e saída, como os sensores. O gateway, então, comunica os dados aos servidores nos data centers locais ou na nuvem. Nesse contexto simplificado (por exemplo, no MQTT), o gateway funciona como um "intermediário".

No entanto, em um mercado em que o Gartner® Inc. espera que 20 bilhões de dispositivos de IoT sejam lançados em 2020, e os fornecedores divulgando vários recursos de gateway, é fácil confundir o papel dos gateways de IoT. Então, vamos dimensionar as funções essenciais dos gateways na IoT.

 

Computação na Borda ou Edge/Fog Computing

O uso mais comum dos gateways de IoT é como dispositivos de borda, na medida em que alguns fornecedores os comercializam como gateways de "borda". Conforme mostrado na Figura 1, o gateway de borda pode conectar-se diretamente ao equipamento de campo na IoT (sensores, atuadores etc.) ou por meio de controladores lógicos programáveis ​​(PLCs), sistema de controle distribuído (DCS), sistema de controle industrial / controle supervisório e aquisição de dados (ICS / SCADA) etc. que agregam dados de campo. Esses gateways precisam suportar uma ampla variedade de interfaces de entrada e saída, incluindo conexões com fio, sem fio e até serial (por exemplo, RS-232).

Nesses cenários, os gateways atendem a dois objetivos principais:

  1. Permitem que mais “coisas” entrem em operação fornecendo conexões em escala industrial
  2. Suporta protocolos diferentes - de Modbus, BACnet a Zigbee®, Wi-Fi®, 4G / 5G, etc.
Figura 1: Gateways são usados ​​em vários níveis nas arquiteturas de IoT (Fonte: Practical Industrial Internet of Things Security)

Mas um papel mais crítico dos gateways de borda é localizar a computação no local. Cada bit de dados enviado para a nuvem custa dinheiro, largura de banda e latência. Em vez de enviar todos os dados para a nuvem, os gateways de borda distribuem a carga de trabalho de processamento entre suas CPUs nativas ou entre nós de neblina e enviam apenas dados significativos para a nuvem.

Os gateways de borda geralmente são equipados com potência de processamento (por exemplo, a Dell usa processadores Atom de núcleo duplo da Intel) e inteligência de software que inclui filtragem, análise e elementos seguros.

Indústria 4.0 e cenários de difícil mudança 

Nas empresas industriais, o equipamento legado é uma grande barreira para a adoção da IoT. Devido à longa vida útil dos equipamentos industriais, em vez de substituir equipamentos herdados, uma opção viável é integrar equipamentos herdados nas arquiteturas IoT (IIoT) industriais. Mas como?

Alguns dos desafios comuns dos produtos herdados são:

  • Use pilha de software proprietário, SO e protocolos
  • Faltam recursos para atualizações regulares de software e firmware
  • Falta segurança embutida

Para facilitar a adoção da IoT em cenários de difícil mudança, ou quando um novo software é introduzido em um ambiente de tecnologia da informação onde existem sistemas legados, os gateways IIoT preenchem essas lacunas, pois podem traduzir protocolos proprietários, limpar dados de entrada, adicionar contexto aos dados e atuar como um “Proxy” para facilitar atualizações de firmware, acesso a dados e executar outras funções de segurança.

Como Interoperacionailizar Segmentos e Verticais

Em ambiente industrial, os segmentos de rede geralmente usam protocolos proprietários diferentes. Com o tempo, os sistemas de informações industriais (ou seja, sistemas que arquivam dados, gerenciadores de ativos, sistemas de execução de fabricação etc.) começaram a usar variantes dos padrões IP e Ethernet. No entanto, essas variantes suportam apenas verticais específicas da indústria. Por exemplo, as concessionárias de energia usam protocolos de conectividade DNP3, DC-BUS, enquanto a automação predial depende de MODBUS, DAC-Net, etc.

Isso afeta a interoperabilidade entre verticais. Por exemplo, em um projeto de cidade inteligente, a automação predial e os serviços públicos devem se interconectar. A convergência da conectividade entre diferentes verticais é outro fator crítico que os gateways preenchem. Eles também podem interconectar redes diferentes dentro de um local industrial.

Características Avançadas

No topo do espectro, os gateways de IoT servem como uma interface entre implantações no local e a nuvem. Esses gateways executam algoritmos de análise complexos e modelos de aprendizado de máquina nos dados recebidos, gerenciam a automação de fábrica, executam serviços de identidade e autenticação, análises preditivas etc. sem contato com a nuvem. Esses gateways geralmente obscurecem a linha entre dispositivos e plataformas de IoT.

Indo a fundo dentro do Gateway IoT

Os gateways de IoT incluem componentes de software e hardware. O software pode ser executado em plataformas dedicadas ou virtualizadas. A pilha de software implementa diferentes funcionalidades, por exemplo, tradução de protocolo, processamento de dados, armazenamento, agregação e análise.

À medida que os aplicativos IoT evoluem, o papel dos gateways IoT também evolui. Para inovações à prova do futuro, projetar software de gateway independente de plataforma é um imperativo fundamental. O uso do software de gateway independente de plataforma ajuda a evitar o aprisionamento do fornecedor e permite complementar facilmente novos recursos. O AWS Greengrass e o Microsoft® IoT Edge são exemplos de softwares para gateways de borda independentes.

Como os gateways são expostos a condições externas, é importante projetar gateways para o extremo. Consequentemente, o hardware precisa ser resistente a violações e suportar uma ampla faixa de temperaturas operacionais. Gateways com um design 'sem coolers' requerem menos energia e são adequados para configurações com recursos limitados.

Conclusão

Como um componente essencial nas arquiteturas de IoT, o mercado de gateways de IoT está se expandindo rapidamente. Os principais players incluem HP Enterprise, Intel®, Cisco, Dell, Fujitsu, Microsoft, IBM, Red Hat, Oracle, VMware, Huawei, Pivotal, entre outros.

Com as novas tecnologias e padrões de conectividade IoT, o setor está bem posicionado para implantar novos gateways que atendem novas funções. É realmente um ótimo momento para inovar e implementar novos hardwares de gateway e seus softwares.

Pontos chaves:

  1. É quase impossível implementar um caso de uso da IoT sem usar um gateway.
  2. Espera-se que o mercado de gateway IoT em rápida expansão envie mais de 139 milhões de unidades até 2021.
  3. Além da agregação de borda, os gateways desempenham um papel crucial nos cenários de difícil implantação da indústria 4.0 e nos aplicativos de cidades inteligentes.
  4. O design do gateway requer atenção especial para operações seguras em ambientes de IoT com restrições de recursos e extremos.

Artigo escrito originalmente por Sravani Bhattacharjee para Mouser Electronics: The Critical Role of Gateways in IoT. Traduzido por Equipe Embarcados.

Licença Creative Commons Esta obra está licenciada com uma Licença Creative Commons Atribuição-CompartilhaIgual 4.0 Internacional.

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Cirineu C Fernandes
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Cirineu C Fernandes

Excelente Artigo, estamos trabalhando em um Gateway IoT baseado no Raspberry pi e JARM IoT, ele será multiprotocolos, além de oferecer outras possibilidades para o usuário, está em fase de testes.

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