Tecnologias e protocolos de IoT

Introdução ao mundo e à tecnologia da IoT. Este guia fornecerá uma base sólida sobre os protocolos e a tecnologia de IoT para ajudar você a fazer as escolhas corretas para seu projeto.

Um guia para as tecnologias e protocolos de IoT

A Internet das Coisas é uma convergência de sistemas inseridos, redes de sensor sem fio, sistemas de controle e automação que possibilita fábricas de produção industrial conectadas, varejo inteligente, atendimento médico da próxima geração, casas e cidades inteligentes e dispositivos acessórios. As tecnologias de IoT permitem que você transforme seus negócios com insights controlados por dados, processos operacionais aprimorados, novas linhas de negócios e uso mais eficiente de materiais.

As tecnologias de IoT continuam se expandindo, com inúmeros provedores de serviços, uma variedade de plataformas e milhões de novos dispositivos surgindo todos os anos, deixando os desenvolvedores com muitas decisões para serem tomadas antes de entrar no ecossistema de IoT.

Este guia foi criado para ajudá-lo a entender os requisitos de conectividade, de energia e de protocolos de IoT. Se você estiver procurando uma introdução mais básica à tecnologia de IoT, confira os guias da Web O que é IoT? e Segurança cibernética da IoT.

Ecossistema de tecnologia de IoT

O ecossistema de tecnologia de IoT é composto pelas seguintes camadas: dispositivos, dados, conectividade e usuários de tecnologia.

Camada do dispositivo

A combinação de sensores, atuadores, hardware, software, conectividade e gateways que constituem um dispositivo que se conecta e interage com uma rede.

Camada de dados

Os dados coletados, processados, enviados, armazenados, analisados, apresentados e usados em contextos empresariais.

Camada de negócios

As funções empresariais da tecnologia de IoT, incluindo o gerenciamento de mercados de cobrança e de dados.

Camada de usuário

As pessoas que interagem com dispositivos e tecnologias IoT.

Saiba mais sobre como conectar dispositivos corretamente quando você cria com o Hub IoT do Azure.

A pilha de tecnologia de IoT parte 1:
Dispositivos IoT

Os dispositivos IoT variam muito, mas tendem a compartilhar esses conceitos e vocabulário comuns. Você também pode saber mais sobre as variedades de dispositivos que utilizam a tecnologia IoT neste catálogo de dispositivos IoT.

Atuadores

Os atuadores executam ações físicas quando o centro de controle deles fornece instruções, geralmente em resposta a alterações identificadas por sensores. Eles são um tipo de transdutor.

Sistemas incorporados

Os sistemas inseridos são sistemas baseados em microprocessador ou em microcontrolador que gerenciam uma função específica em um sistema maior. Eles incluem componentes de hardware e software, como o Azure RTOS.

Dispositivos inteligentes

Dispositivos que têm a capacidade de computar. Eles geralmente incluem um microcontrolador e podem utilizar serviços como o Azure IoT Edge para implantar melhor determinadas cargas de trabalho entre dispositivos.

MCU (unidade de microcontrolador)

Esses computadores pequenos são inseridos em microchips e contêm CPUs, RAM e ROM. Embora eles contenham os elementos necessários para executar tarefas simples, os microcontroladores são mais limitados em capacidade do que os microprocessadores.

MPU (unidade de microprocessador)

As MPUs realizam as funções de CPUs em circuitos integrados únicos ou múltiplos. Embora os microprocessadores exijam que os periféricos concluam as tarefas, eles reduzem consideravelmente os custos de processamento porque contêm apenas uma CPU.

Dispositivos não computacionais

Dispositivos que apenas se conectam e transmitem dados e não têm a capacidade de computar.

Transdutores

No geral, os transdutores são dispositivos que convertem uma forma de energia em outra. Em dispositivos IoT, isso inclui os sensores internos e os atuadores que transmitem dados conforme os dispositivos se envolvem com o ambiente.

Sensores

Os sensores detectam alterações nos ambientes em que estão e criam impulsos elétricos para se comunicar. Os sensores normalmente detectam mudanças ambientais como alterações na temperatura, na química e na posição física e são um tipo de transdutor.

A pilha de tecnologia de IoT parte 2:
Conectividade e protocolos de IoT

Conectando dispositivos IoT

um aspecto importante do planejamento de um projeto de tecnologia de IoT é determinar os protocolos de IoT dos dispositivos – em outras palavras, como os dispositivos se conectam e se comunicam. Na pilha da tecnologia de IoT, os dispositivos se conectam por meio de gateways ou da funcionalidade interna.

O que são gateways de IoT?

Os gateways fazem parte da tecnologia de IoT que pode ser usada para ajudar a conectar dispositivos IoT à nuvem. Embora nem todos os dispositivos IoT exijam um gateway, eles podem ser usados para estabelecer a comunicação entre dispositivos ou conectar dispositivos que não são baseados em IP e não podem se conectar diretamente à nuvem. Os dados coletados dos dispositivos IoT passam por um gateway, são pré-processados na borda e são enviados para a nuvem.

O uso de gateways IoT pode reduzir a latência e reduzir os tamanhos de transmissão. Ter gateways como parte dos seus protocolos de IoT também permite que você conecte dispositivos sem acesso direto à Internet e fornece uma camada adicional de segurança ao proteger os dados que se movem em ambas as direções.

Como conectar dispositivos IoT à rede?

O tipo de conectividade que você utiliza como parte do seu protocolo IoT depende do dispositivo, da função e dos usuários dele. Normalmente, a distância que os dados devem viajar — seja de intervalo curto ou longo — determina o tipo de conectividade de IoT necessário.

Tipos de redes de IoT

Redes de curta distância e de baixo consumo de energia

Redes de curto alcance de baixo consumo de energia são adequadas para residências, escritórios e outros ambientes pequenos. Elas tendem a precisar apenas de baterias pequenas e geralmente têm a operação barata.

Exemplos comuns:

Bluetooth

Bom para transferência de dados de alta velocidade, o Bluetooth envia sinais de voz e de dados a até 10 metros.

NFC

Um conjunto de protocolos de comunicação para a comunicação entre dois dispositivos eletrônicos por uma distância de 4 cm (0,5 polegada) ou menos. O NFC oferece uma conexão de baixa velocidade com a configuração simples que pode ser usada para inicializar conexões sem fio e mais compatíveis.

Wi-Fi/802.11

O baixo custo da operação de Wi-Fi o torna um padrão entre residências e escritórios. No entanto, ele pode não ser a escolha certa para todos os cenários devido a seu intervalo limitado e ao consumo de energia contínuo.

Z-Wave

Uma rede de malha para ondas de rádio de baixa energia para fazer a comunicação entre dispositivos.

Zigbee

Uma especificação baseada em IEEE 802.15.4 para um pacote de protocolos de comunicação de alto nível usado para criar redes de área pessoal com rádios digitais pequenos e de baixa potência.

LPWAN (redes de longa distância de baixo consumo de energia)

As LPWANs habilitam a comunicação em um mínimo de 500 metros, exigem um consumo de energia mínimo e são usadas para a maioria dos dispositivos IoT. Os exemplos comuns de LPWANs são:

LTE 4G para IoT

Com alta capacidade e baixa latência, essas redes são uma ótima opção para cenários de IoT que exigem informações ou atualizações em tempo real.

5G para IoT

Embora ainda não estejam disponíveis, as redes 5G para IoT devem habilitar mais inovações na IoT, fornecendo velocidades de download e conectividade muito mais rápidas para muitos outros dispositivos em uma determinada área.

Cat-0

Essas redes baseadas em LTE são a opção de custo mais baixo. Eles formam a base do Cat-M, uma tecnologia que substituirá o 2G.

Cat-1

Esse padrão para IoT celular eventualmente substituirá o 3G. As redes Cat-1 são fáceis de configurar e oferecem uma ótima solução para aplicativos que exigem uma interface de voz ou de navegador.

LoRaWAN

As LoRaWANs (redes de longa distância) conectam dispositivos móveis, seguros, bidirecionais e operados por bateria.

LTE Cat-M1

Essas redes são totalmente compatíveis com redes LTE. Elas otimizam o custo e consumo de energia em uma segunda geração de chips LTE projetada especificamente para aplicativos de IoT.

Banda estreita ou NB-IoT/Cat-M2

A NB-IoT/Cat-M2 usa a modulação de DSSS (espectro de difusão de sequência direta) para enviar dados diretamente ao servidor, eliminando a necessidade de um gateway. Embora as redes de NB-IoT sejam mais custosas para configurar, não exigir um gateway as torna menos dispendiosas para operar.

Sigfox

Esse provedor de rede de IoT global oferece redes sem fio para conectar objetos de baixo consumo de energia que emitem dados contínuos.

Protocolos de IoT: Como os dispositivos IoT se comunicam com a rede

Os dispositivos IoT se comunicam usando protocolos de IoT. O protocolo IP é um conjunto de regras que determina como os dados são enviados para a Internet. Os protocolos de IoT garantem que as informações de um dispositivo ou sensor sejam lidas e compreendidas por outro dispositivo, um gateway e um serviço. Protocolos de IoT diferentes foram projetados e otimizados para diferentes cenários e usos. Considerando a variedade de dispositivos IoT disponíveis, é importante usar o protocolo correto no contexto correto.

Qual protocolo de IoT é adequado para mim?

O tipo de protocolo de IoT de que você precisará depende da camada de arquitetura do sistema em que os dados trafegarão. O modelo de referência OSI fornece um mapa das várias camadas que enviam e recebem dados. Cada protocolo de IoT na arquitetura do sistema de IoT permite a comunicação entre dispositivos, entre dispositivo e gateway, entre gateway e data center ou entre gateway e nuvem, bem como a comunicação entre data centers.

Camada de aplicativo

A camada de aplicativo serve como a interface entre o usuário e o dispositivo em um determinado protocolo de IoT.

AMQP (Advanced Message Queuing Protocol)

Uma camada de software que cria interoperabilidade entre o middleware de mensagens. Ele ajuda uma variedade de sistemas e aplicativos a trabalhar juntos, criando mensagens padronizadas em escala industrial.

CoAP (Protocolo de aplicativo restrito)

Um protocolo de largura de banda restrita e de rede restrita projetado para dispositivos com capacidade limitada para se conectar à comunicação entre computadores. O CoAP também é um protocolo de transferência de documentos que é executado por protocolo UDP.

DDS (Serviço de distribuição de dados)

Um protocolo de comunicação ponto a ponto versátil que faz tudo, desde a execução de pequenos dispositivos até a conexão de redes de alto desempenho. O DDS simplifica a implantação, aumenta a confiabilidade e reduz a complexidade.

MQTT (Transporte de Telemetria de Fila de Mensagens)

Um protocolo de mensagens projetado para a comunicação leve entre computadores e usado principalmente para conexões de largura de banda baixa com locais remotos. O MQTT usa um padrão de editor-assinante e é ideal para dispositivos pequenos que exigem o uso eficiente da largura de banda e da bateria.

Camada de transporte

Em qualquer protocolo de IoT, a camada de transporte habilita e protege a comunicação dos dados conforme eles trafegam entre as camadas.

Protocolo TCP

O protocolo dominante para a maioria da conectividade com a Internet. Ele oferece comunicação entre hosts dividindo grandes conjuntos de dados em pacotes individuais e reenviando e remontando os pacotes conforme necessário.

Protocolo UDP

Um protocolo de comunicação que habilita a comunicação entre processos e é executado sobre o IP. O UDP melhora as taxas de transferência de dados por TCP e é mais adequado para aplicativos que exigem transmissões sem perdas.

Camada de rede

A camada de rede de um protocolo de IoT ajuda dispositivos individuais a se comunicar com o roteador.

IP

Muitos protocolos de IoT utilizam IPv4, enquanto as execuções mais recentes usam IPv6. Essa atualização recente para IP roteia o tráfego pela Internet e identifica e localiza dispositivos na rede.

6LoWPAN

Esse protocolo de IoT funciona melhor com dispositivos que consomem pouca energia com funcionalidades de processamento limitadas.

Camada de link de dados

A camada de dados faz parte de um protocolo de IoT que transfere dados dentro da arquitetura do sistema, identificando e corrigindo erros encontrados na camada física.

IEEE 802.15.4

Um padrão de rádio para conexão sem fio de baixo consumo de energia. Ele é usado com Zigbee, 6LoWPAN e outros padrões para criar redes integradas sem fio.

LPWAN

Redes LPWAN (redes de longa distância de baixo consumo de energia) permitem a comunicação entre distâncias de 500 metros a mais de 10 km em alguns lugares. A LoRaWAN é um exemplo de LPWAN otimizada para baixo consumo de energia.

Camada física

A camada física é o canal de comunicação entre os dispositivos em um ambiente específico.

BLE (Bluetooth de baixa energia)

O BLE reduz drasticamente o consumo de energia e o custo e mantém um intervalo de conectividade semelhante ao Bluetooth clássico. O BLE trabalha nativamente em sistemas operacionais móveis e está se tornando rapidamente um favorito para os aparelhos eletrônicos devido ao seu baixo custo e vida longa da bateria.

Ethernet

Essa conexão com fio é uma opção menos dispendiosa que fornece conexão rápida de dados e baixa latência.

LTE (Evolução de Longo Prazo)

Um padrão de comunicação de banda larga sem fio para dispositivos móveis e terminais de dados. O LTE aumenta a capacidade e a velocidade de redes sem fio e é compatível com streams de difusão e multicast.

NFC (comunicação a curta distância)

Um conjunto de protocolos de comunicação que usam campos eletromagnéticos que permitem que dois dispositivos se comuniquem dentro de quatro centímetros de distância entre eles. Os dispositivos habilitados para NFC funcionam como cartões de acesso de identidade e normalmente são usados para pagamentos móveis sem contato, tíquetes e cartões inteligentes.

PLC (Comunicação de Linha de Alimentação)

Uma tecnologia de comunicação que permite o envio e recebimento de dados pelos cabos de alimentação existentes. Com isso, você pode alimentar e controlar um dispositivo IoT por meio do mesmo cabo.

RFID (Identificação por radiofrequência)

O RFID usa campos eletromagnéticos para rastrear marcas eletrônicas não alimentadas de outra forma. O hardware compatível fornece energia e comunicação com essas tags, lendo suas informações de identificação e autenticação.

Wi-Fi/802.11

O Wi-Fi/802.11 é um padrão em residências e escritórios. Embora seja uma opção de baixo custo, ela pode não atender a todos os cenários devido ao seu intervalo limitado e ao consumo de energia contínuo.

Z-Wave

Uma rede de malha para ondas de rádio de baixa energia para fazer a comunicação entre dispositivos.

Zigbee

Uma especificação baseada em IEEE 802.15.4 para um pacote de protocolos de comunicação de alto nível usado para criar redes de área pessoal com rádios digitais pequenos e de baixa potência.

A pilha de tecnologia de IoT parte 3:
Plataformas de IoT

As plataformas de IoT facilitam a criação e a inicialização de seus projetos de IoT fornecendo um único serviço que gerencia a implantação, os dispositivos e os dados. As plataformas IoT gerenciam protocolos de hardware e software, oferecem segurança e autenticação e fornecem interfaces do usuário.

A definição exata de uma plataforma de IoT varia porque mais de 400 provedores de serviços oferecem recursos que vão de software e hardware a SDKs e APIs. No entanto, a maioria das plataformas de IoT inclui:

  • Um gateway de nuvem de IoT
  • Autenticação, gerenciamento de dispositivos e APIs
  • Infraestrutura de nuvem
  • Integrações de aplicativos de terceiros

Serviços gerenciados

Os serviços gerenciados de IoT ajudam as empresas a operar e manter o ecossistema de IoT de forma proativa. Uma variedade de serviços gerenciados de IoT, como o Hub IoT do Azure, está disponível para ajudar a simplificar e oferecer suporte ao processo de criação, implantação, gerenciamento e monitoramento de seu projeto de IoT.

Aplicativos de IoT de tecnologias atuais

IA e IoT

Os sistemas de IoT coletam grandes quantidades de dados que geralmente são necessárias para usar a IA e o aprendizado de máquina para classificar e analisar os dados para que você possa detectar padrões e reagir em relação aos insights. Por exemplo, a IA pode analisar os dados coletados do equipamento de fabricação e prever a necessidade de manutenção, reduzindo os custos e o tempo de inatividade de interrupções inesperadas.

Blockchain e IoT

No momento, não há como confirmar se os dados da IoT não foram manipulados antes de serem vendidos ou compartilhados. O blockchain e a IoT trabalham juntos para dividir os silos de dados e promover a confiança para que os dados possam ser verificados, rastreados e utilizados.

Kubernetes e IoT

Com um modelo de implantação sem tempo de inatividade, o Kubernetes ajuda os projetos de IoT a se manter atualizados em tempo real sem afetar os usuários. O Kubernetes dimensiona com facilidade e eficiência usando recursos de nuvem, fornecendo uma plataforma comum para implantação na borda.

Software livre e IoT

As tecnologias de software livre estão acelerando a IoT, permitindo que os desenvolvedores usem as ferramentas de sua escolha em aplicativos da tecnologia de IoT.

Computação quântica e IoT

A quantidade significativa de dados gerada pelo IoT naturalmente é adequada para a capacidade de a computação quântica acelerar a passagem pela computação intensiva. Além disso, a criptografia quântica ajuda a adicionar um nível de segurança necessário, mas que, no momento, é prejudicado pela baixa potência computacional inerente à maioria dos dispositivos IoT.

Opção sem servidor e IoT

Eliminando a necessidade de gerenciar a infraestrutura, a computação sem servidor permite que os desenvolvedores criem aplicativos de forma mais rápida. Com aplicativos sem servidor, o provedor de serviços de nuvem provisiona, dimensiona e gerencia automaticamente a infraestrutura necessária para executar o código. Com o tráfego variável dos projetos de IoT, a opção sem servidor fornece um modo econômico de escalar dinamicamente.

Realidade virtual e a IoT

Usadas juntas, a realidade virtual e a IoT podem ajudar você a contextualizar visualmente sistemas complexos e tomar decisões em tempo real. Por exemplo, usando uma forma de realidade virtual chamada de realidade aumentada (também conhecida como realidade misturada), você pode exibir dados de IoT importantes como elementos gráficos sobre objetos do mundo real (como seus dispositivos IoT) ou workspaces. Essa combinação de realidade virtual e IoT inspirou avanços tecnológicos em setores como o de serviços de saúde, serviço de campo, transporte e produção.

Gêmeos Digitais e IoT

Testar seus sistemas antes da execução pode ser uma medida drástica para economizar tempo e dinheiro. Os Gêmeos Digitais usam dados de vários dispositivos IoT e os integram a dados de outras fontes para oferecer uma visualização de como o sistema vai interagir com dispositivos, pessoas e espaços.

Análise e dados de IoT

As tecnologias de IoT produzem volumes de dados tão grandes que os processos e as ferramentas especializados são necessários para transformar os dados em insights acionáveis. Desafios e aplicativos comuns de tecnologia de IoT:

Aplicativo: Manutenção preditiva

Os modelos de machine learning de IoT projetados e treinados para identificar sinais em dados históricos podem ser usados para identificar as mesmas tendências nos dados atuais. Isso permite que os usuários automatizem solicitações de serviço preventivas e encomendem novas peças antecipadamente para que estejam sempre disponíveis quando forem necessárias.

Aplicativo: Decisões em tempo real

Uma variedade de serviços de análise de IoT está disponível, projetados para fornecer relatórios de ponta a ponta em tempo real, incluindo:

  • Armazenamento de dados de alto volume usando formatos que as ferramentas de análise podem consultar.
  • Processamento de fluxo de dados de alto volume para filtrar e agregar dados antes que a análise seja executada.
  • Retorno de análise de baixa latência usando ferramentas de análise em tempo real que relatam e visualizam dados.
  • Entrada de dados em tempo real usando os agentes de mensagens.

Desafio: Armazenamento de dados

A coleta de dados grande leva às necessidades de armazenamento de dados grande. Vários serviços de armazenamento de dados estão disponíveis, variando em relação aos recursos como estruturas organizacionais, protocolos de autenticação e limites de tamanho.

Desafio: Processamento de dados

O volume de dados coletado por meio da IoT apresenta desafios para limpar, processar e interpretar rapidamente. A computação de borda resolve esses desafios mudando a maior parte do processamento de dados de um sistema centralizado para a borda da rede, mais perto dos dispositivos que precisam dos dados. No entanto, a descentralização do processamento de dados apresenta novos desafios, incluindo a confiabilidade e a escalabilidade de dispositivos de borda e a segurança dos dados em trânsito.

Segurança e privacidade da IoT

A segurança e a privacidade da IoT são considerações críticas em qualquer projeto de IoT. Embora a tecnologia de IoT possa transformar suas operações de negócios, os dispositivos IoT poderão representar ameaças se não estiverem adequadamente protegidos. Os ataques cibernéticos podem comprometer dados, destruir equipamentos e até mesmo causar danos.

Uma segurança cibernética avançada para IoT, como o Azure Sphere, vai além das medidas de confidencialidade padrão para incluir a modelagem de ameaças. Entender as diferentes maneiras pelas quais os invasores podem comprometer seu sistema é a primeira etapa para impedir ataques.

Quando você planeja e desenvolve seu sistema de segurança da IoT, é importante escolher a solução certa para cada etapa da sua plataforma e do sistema, desde o OT até a TI. As soluções de software, como o Azure Defender, oferecem a proteção de que você precisa em todo o sistema.

Saiba mais sobre a segurança da IoT

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