IoT: Contexto geral, presente e perspectiva futura - Parte 1

IoT: Contexto geral
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Olá! Trataremos neste artigo um pouco da História e da origem do termo “Internet das coisas” ou IoT, assim como suas nuances, suas aplicações, tecnologias e usos atuais.

 

 

História

 

O contexto histórico, ao qual trataremos, refere-se à origem da Internet e do novo termo: a Internet das coisas.

 

A Internet

 

Sabemos que a Internet nasceu no final dos anos 1960, em plena Guerra Fria, graças à iniciativa do Departamento de Defesa americano, que queria dispor de um conjunto de comunicação militar entre seus diferentes centros. Uma rede que fosse capaz de resistir a uma destruição parcial, provocada, por exemplo, por um ataque nuclear.

 

Talvez, não o sabiam de que em pouco tempo o mundo adotaria esse modelo de comunicação, e que teríamos essa grande teia (web).

  

A internet: um grande teia
Figura 1 - A internet: um grande teia

 

A partir da facilidade de envio e recebimento de dados de qualquer localidade, da padronização de protocolos, da disponibilidade de rede em diversos lugares, tornou-se possível a comunicação com um grande volume de dados, impactando diretamente na vida da população mundial.

 

Eis, então, a dita Internet que revolucionou o século XX, de forma a criar uma nova forma de convivência entre os indivíduos, de forma a agregar uma gama de informações, facilitando pesquisas e suas publicações, essencialmente, conectando as pessoas de forma instantânea no mundo.

 

A Internet das coisas

 

O termo “Internet das coisas” já vem de algo já, anteriormente, conhecido. O mesmo, na verdade, amplia a visão do estudante de Computação, de forma que ele compreenda que existe a Internet e as “coisas” -- que é qualquer dispositivo capaz de se comunicar (receber e enviar informações), de forma que, pela Internet ou peer to peer, eles possam se comunicar. O que criou e criará ainda mais, uma teia ainda maior que a web, uma teia de inúmeros dispositivos que captam algo, geram informação, que se relacionam entre si e com os indivíduos, e no futuro estarão tão presentes que serão imperceptíveis.

 

A Computação Ubíqua é uma das partes ao que hoje se chama de Internet das Coisas.

 

O nome Computação Ubíqua foi, originalmente, cunhado por Mark Weiser em 1991, no seu artigo "O Computador para o século XXI", para se referir a dispositivos conectados em todos os lugares de forma tão transparente para o ser humano que acabaremos por não perceber que eles estão lá.

 

A Computação Ubíqua era a soma de dois outros termos: “Computação Móvel” e “Computação Pervasiva”. A teoria indica que o uso da computação deve ser de uma forma inconsciente pelos seres humanos. As máquinas é que irão nos servir, não precisaremos mais nos sentar à frente de um notebook e este ser o centro das atenções.

 

Conforme Weiser e Brown (THE COMING AGE OF CALM TECHNOLOGY[1], 1996), a computação eletrônica passou por duas grandes eras:

 

  • A era do Mainframe - muitas pessoas compartilhando um computador.

      

Mainframe
Figura 2 - Mainframe

 

  • A era do PC (Computador Pessoal) - Um computador para uma pessoa.

 

E hoje, após uma transição pelo período da Internet e da Computação Distribuída, entramos na Era da Computação Ubíqua, da Internet das Coisas, de uma gama de dados transferidos de dispositivo para dispositivo (smartphones, relógios, tablets e vários outros), do dispositivo para a internet, que gera uma grande interação de modo imperceptível e que agrega uma quantidade gigantesca de serviços.

 

 

O que é a Internet da coisas e quais as suas aplicações

 

A ideia central do IoT é de que as “coisas” (dispositivos e aplicações) conversem com outras “coisas”: é o sentido de promover o “diálogo” de dispositivos e aplicações.

 

Então, as coisas passam a conversar entre si. A luz liga à noite sem a nossa intervenção; os carros nas ruas conversarão entre si evitando choques, atropelamentos, enviando mensagens; o liquidificador conversa com a geladeira, pedindo para ela diminuir a temperatura, pois, um suco já está sendo terminado; a luz irá ligar no momento que o despertador toca, e etc. Esse é o poder do IoT.

 

Numa cidade podemos ter interações de painéis que exibem informações de trafégo, temperatura e umidade, melhor rota, desligamento automático das luzes da cidade para economia de energia, controle de estacionamento geral da cidade, uma gama de serviços que podem ser acessados via smartphone ou qualquer outro dispositivo e até mesmo já no computador de bordo do carro.

 

É de se verificar que nessas interações temos sensores que captam dados e temos atuadores que agem. Um dispositivo autônomo necessita desses para interagir com o meio ambiente e baseado neles, há um processamento e a interpretação dos sinais sensoriais, a fim de ter alguma tomada de decisão.

 

O IoT nessa perspectiva tem inúmeras aplicações e iremos detalhar um pouco a comunicação entre os dispositivos, seus contextos e aplicações.

 

Protocolos IoT

 

diversos protocolos de comunicação para o IoT, pensando sempre na simplicidade de envio e recebimento de mensagens. Alguns exemplos são MQTT, CoAP, UDP, 6LoWPAN, Zigbee, BLE, e outros.

 

Detalharemos o MQTT, que é suportado nas plataformas do Windows Azure IoT, Amazon AwS IoT, e, também na IBM Bluemix IoT.

 

MQTT

 

MQTT é o acrônimo para Message Queuing Telemetry Transport:  é o simples publicar/subscrever e seu propósito é voltado para o IoT.

 

Em termos gerais, existe o MQTT broker que distribui mensagens para os clientes conectados (dispositivos e aplicativos). Quando um dispositivo publica alguma mensagem, o MQTT broker detecta tal e envia para um canal específico. Um dispositivo ou aplicação está inscrito nesse canal e, então, recebe a mensagem enviada.

 

Dispositivos e aplicações comunicam com o MQTT broker, como demonstrado no esquema abaixo:

              

IoT contexto geral - Esquema do IBM Bluemix IoT
Figura 3 - Esquema do IBM Bluemix IoT

 

Placas de Hardware livre/aberto e o Desenvolvimento IoT

 

A difusão do IoT se dá, também, pela facilidade do Hardware livre, tais como: Arduino, Raspberry, NodeMCU, Intel Edison e outros. O Hardware livre é um hardware eletrônico projetado e oferecido da mesma maneira que um software de código livre: "Pegue e 'faça o que quiser' ".

 

Arduino

 

O Arduino é uma opção interessante para pessoas que desejam realizar projetos com hardware livre; o fato de ter diversas ferramentas livres disponíveis na internet, além de muitos exemplos de projetos com códigos e esquemas simples de serem realizados, fizeram com que ele fosse muitíssimo conhecido. Uma outra característica importante diz respeito ao fato de ele oferecer pouco risco no seu uso, o que garante sua utilização até por crianças. A partir de conhecimentos básicos de eletrônica é possível desenvolver projetos de automação caseira, monitoramento à distância, dentre diversas outras ideias.

 

Arduino
Figura 4 - Arduino

 

Por causa da variedade de placas Arduino, é possível encontrá-las por todo preço que se possa imaginar, desde R$ 10,00 até por R$ 1350,00 (Vários acessórios).

 

A linguagem de programação para se desenvolver em placas Arduino é a linguagem C++, com pequenas modificações.

 

Raspberry Pi

 

A Raspberry é um computador do tamanho de um cartão de crédito e foi desenvolvida no Reino Unido pela Fundação Raspberry Pi. Todo o hardware é integrado numa única placa seu principal objetivo era o de promover o ensino em Ciência da Computação básica em escolas.

 

Raspberry Pi
Figura 5 - Raspberry Pi

 

No mercado, o preço de uma placa Raspberry varia entre R$ 195,00 (Somente a placa) a pouco mais de R$ 600,00 (Incluindo acessórios). Apenas uma média geral. 

 

É possível desenvolver no Raspberry utilizando várias linguagens de programação, como por exemplo: Java, C, Python e C++.

 

NodeMCU

 

O NodeMCU foi criado logo após o lançamento do ESP8266. Em 30 de dezembro de 2013, a empresa Espressif começou a produzir o ESP8266. A produção do NodeMCU começou em 13 outubro de 2014, quando Hong postou o primeiro arquivo do nodemcu-firmware no GitHub. Dois meses depois, o projeto se expandiu para incluir uma plataforma de open hardware quando o desenvolvedor Huang R publicou o arquivo gerber da uma placa ESP8266, chamando de devkit 1.0.

 

Uma das linguagens utilizadas em sua programação é chamada: LUA.

 

Intel Edison

 

Ele é um pequeno computador oferecido pela Intel como plataforma de desenvolvimento de computadores vestíveis e internet das coisas.

 

O Intel Edison é um SoC Intel Atom de 22nm com CPU dual-core de 500 MHz e MCU de 100 MHz. Isso faz com que os dados sejam processados antecipadamente e entregues à CPU filtrados. O Intel Edison inclui 1GB de memória, 4GB de armazenamento, Wi-Fi e Bluetooth LE integrados, suporte à 40 GPIOs com diversas possibilidades de configuração e expansão. Tudo isso com um baixíssimo consumo de energia.

 

Intel Edison
Figura 6 - Intel Edison

 

Sensoriamento

 

Os sensores são componentes para a obtenção de algum dado, a exemplo temos: o de temperatura, gás, nível de água, discernimento de cores, umidade, ultrassônico (distância), infravermelho, de presença, de ruídos, dentre outros.

 

Ele transforma uma grandeza física em sinal elétrico. A temperatura que é uma grandeza física em transformada em sinal elétrico interpretável, assim, recebemos tal na placa.

 

A partir de um dado gerado por um sensor, o sistema pode tomar uma decisão, por exemplo, quando o nível de água atinge certo limite, fazer com que o tanque seja aberto; Se a umidade não estiver em nível aceitável, então, ligar o umidificador de ar; Se há a presença de alguém, então, ligar a luz. O uso é diverso.

 

Vejamos alguns exemplos.

 

Temperatura

 

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Figura 7 - Sensor de Temperatura

 

Ele trabalha através de sua resistência, que, é inversamente proporcional à temperatura. Quando a temperatura diminui, sua resistência aumenta; se a temperatura aumenta, sua resistência diminui. Assim, essa variação de resistência é percebida pelo circuito e obtida por meio de software.

 

Ultrassônico

 

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Figura 8 - Sensor Ultrassônico

 

O sensor ultrassônico se baseia na velocidade do som para obter a distância entre a origem e o obstáculo. Há dois orifícios, como podemos ver na imagem acima: echo e trigger, este envia uma onda sonora e aquele recebe a sua reflexão. E, pela velocidade do som e do tempo de ida e volta da onda sonora é obtida a distância.

 

Umidade do solo

 

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Figura 9 - Sensor de umidade do solo

 

Este sensor foi feito para detectar as variações de umidade no solo, sendo que quando o solo está seco a saída do sensor fica em estado alto, e quando úmido em estado baixo.

 

Ele possui dois tipos de saídas: A0 e D0, onde A0 é o canal analógico, no qual podemos obter a sua precisão, pois recebemos valores reais, em números de 0 a 1023. Já o canal D0, é o canal digital, que trabalha somente com 0 ou 1 (ligado ou desligado), para ajustar o ponto onde o sensor vai ligar esta saída, você pode ajustar através do potenciômetro, encontrado em cima do módulo do Sensor de Umidade de Solo.

 

E não tenha medo de usá-lo! Uma vez estava em um encontro prático de Internet das Coisas e uma pessoa levantou a mão e indagou que se o molhasse iria queimá-lo; o sensor capta umidade do solo, foi desenvolvido nesse intuito mesmo.

 

Apenas, introduza-o na terra e a molhe à vontade.

 

Umidade do ar

 

Sensor de umidade do ar
Figura 10 - Sensor de umidade do ar

 

Para medir a umidade, eles usa dois eletrodos com substrato de retenção de umidade entre eles. Assim como a umidade muda, a condutividade do substrato muda ou a resistência entre esses eletrodos muda. Esta alteração na resistência é medida e processada, assim obtemos o dados da umidade.

 

Atuadores

 

Os atuadores são componentes que transformam um sinal elétrico em uma grandeza física, tal como: sinal audível, vibratório, algum movimento, magnetismo ou temperatura.

 

A partir de um dado gerado por um sensor, o sistema pode tomar uma decisão utilizando-se de um atuador. Por exemplo, se o nível de água em uma reservatório está no limite, então, pode-se ter um sinal sonoro intermitente, até que se abra as compotas para diminuir o nível.

 

Vejamos alguns exemplos:

 

Buzzer

 

Quando acionado: realiza um sinal audível.

 

Buzzer
Figura 11 - Buzzer

 

Motor vibratório

 

O alerta vibratório é, comumente, usado em smartphones para alertar de chamadas, jogos ou mensagens.

 

Motor vibratório
Figura 12 - Motor vibratório

 

Servomotor

 

O Servomotor é uma máquina, eletromecânica, que apresenta movimento proporcional a um comando elétrico. Pode abrir uma cortina, por exemplo.

 

Um exemplo de servomotor
Figura 13 - Um exemplo de servomotor

 

 

Conclusão

 

Aprendemos neste artigo sobre a origem da Internet, sua evolução até chegarmos na Internet das Coisas. Dentro do IoT, vimos alguns pequenos exemplos de seu uso,  alguns protocolos utilizados e exemplos de sensores e atuadores.

 

Vimos, também, alguns hardwares livres que podemos usar para prototipar nossas aplicações.

 

A primeira parte é introdutória e teremos a segunda parte exemplificando algumas aplicações do IoT em determinados contextos e explanando sobre suas perspectivas. Não perca!

 

Esse texto teve como co-autor o Alexandre Calaça da Silva.

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Luiz Fernando Calaça Silva
Developer (IoT) e Data Analysis na Assembleia Legislativa de Goiás, empreendedor e palestrante. Trabalho com software há alguns anos, e, quando estava na SANEAGO -- Empresa pública de Saneamento de Goiás --, interessei-me nos embarcados, a partir de um projeto de controle de estacionamento com o RFID.

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Luiz Fernando Calaça SilvaRoberto Avelino Alves de Souza Recent comment authors
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Roberto Avelino Alves de Souza
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Boa tarde, para aplicações IOT seria aconselhável utilizar a nodeMcu como ela é, programada via Arduino IDE em um projeto final controlando relés, recebendo dados de sensores e recebendo comando via wifi...?? Pergunto também se é uma plataforma estável em relação a comunicação wifi.?... Esta questão é por causa do baixo custo que ela tem e como ela se adapta facilmente ao meu projeto, aumentaria o custo pra mim de criar novo layout!

Luiz Fernando Calaça Silva
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Luiz Fernando Calaça

Olá, Roberto!
Utilizar-se da NodeMCU para prototipar seus projetos é, sim, possível.
O custo dela é baixo e, também, vem com a ESP8266 embutida, o que permite a comunicação de dados sem fio. E você pode ligar seus sensores e relés nos pinos; naturalmente, observando a especificação de cada um.

No quesito estabilidade pode entrar outros fatores como a própria estabilidade da rede de que irá acessar. A ESP8266 tem as suas limitações, como qualquer outro hardware, mas, que não atrapalhará em projetos-protótipo.

Roberto Avelino Alves de Souza
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Roberto Avelino

Muito obrigado Luiz pelas informações... Mas é aconselhável utilizar o nodemcu num produto final ou apenas serve para protótipos?

Luiz Fernando Calaça Silva
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Luiz Fernando Calaça

Roberto, há até algumas discussões em fóruns sobre isso. Primariamente, essas placas foram feitas para prototipar projetos, justamente, para a difusão do ensino da programação/computação. Mas, é fato, que alguns colocam essas placas em produtos finais e isso não é o ideal, no entanto, é possível. Não estou querendo colocar para você fazer uma produto final de má qualidade, mas, explanando de que nada te impede de automatizar sua casa com a NodeMCU, fazer uma devida proteção elétrica, testá-lo bem e depois implantar em outro lugar. Então, veja, o objetivo delas é protótipo e colocar em produto final teria de… Leia mais »