Tecnologias e protocolos de IoT

Comece a utilizar o mundo da IoT. Este guia fornecerá uma base sólida de tecnologias e protocolos de IoT para o ajudar a fazer as escolhas certas para o seu projeto.

Um guia para tecnologias e protocolos de IoT

A Internet das Coisas é uma convergência de sistemas incorporados, redes de sensor sem fios, sistemas de controlo e automatização que torna possível a existência de fábricas ligadas, retalho inteligente, casas e cidades inteligentes, bem como dispositivos utilizáveis. As tecnologias IoT permitem-lhe transformar a sua empresa com informações orientadas por dados, processos operacionais melhorados, novas linhas de negócio e uma utilização mais eficiente de materiais.

As tecnologias IoT continuam a expandir-se com inúmeros fornecedores de serviços, uma variedade de plataformas e milhões de novos dispositivos que surgem todos os anos, deixando os programadores com muitas decisões a tomar antes de entrarem no ecossistema de IoT. Este guia foi concebido para o ajudar a compreender os requisitos comuns de conectividade, potência e protocolos de IoT.

Ecossistema da tecnologia IoT

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

Camada de dispositivos

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

Camada de dados

Os dados recolhidos, processados, enviados, armazenados, analisados, apresentados e utilizados em contextos empresariais.

Camada empresarial

As funções empresariais de tecnologia IoT, incluindo a gestão de mercados de faturação e dados.

Camada de utilizador

Os componentes que permitem às pessoas interagir com dispositivos IoT.

A pilha da tecnologia IoT parte 1:
Dispositivos IoT

Dispositivos IoT

Seguem-se alguns termos comuns relacionados com dispositivos na pilha da tecnologia IoT:

Sistemas incorporados

Inclui hardware e software, e gere uma função específica relacionada com um sistema maior. Os sistemas incorporados baseiam-se em microprocessadores ou microcontroladores.

Dispositivos inteligentes

Estes dispositivos têm capacidade de computação e incluem geralmente um microcontrolador.

Unidade de microcontrolador (MCU)

Estes pequenos computadores são incorporados em microchips e contêm CPUs, RAM e ROM. Embora contenham os elementos necessários para executar tarefas simples, os microcontroladores são mais limitados em termos de potência do que os microprocessadores.

Unidade de microprocessador (MPU)

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

Dispositivos não computacionais

Estes dispositivos apenas são ligados, transmitem dados e não têm capacidade de computação.

Transdutores

Dispositivos físicos que convertem uma forma de energia noutra. Nos dispositivos IoT, isto inclui os sensores internos e os atuadores que transmitem dados à medida que os objetos interagem com o ambiente.

  • Atuadores

    Realize ações físicas quando o centro de controlo fornece instruções, normalmente devido a alterações identificadas por sensores.

  • Sensores

    Detetam alterações no ambiente e criam impulsos elétricos para comunicarem. Os sensores detetam normalmente mudanças ambientais, como alterações na temperatura, químicos e posição física.

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

Quando planear um projeto de IoT, é importante considerar como o dispositivo será ligado e irá comunicar. Isto irá determinar os protocolos de IoT aplicados.

Ligar dispositivos IoT

Na pilha da tecnologia IoT, os dispositivos ligam-se entre si através de gateways ou da funcionalidade incorporada.

O que são gateways IoT?

Os gateways ligam os dispositivos IoT à cloud. Os dados recolhidos de dispositivos IoT passam por um gateway, são pré-processados no edge e, em seguida, são enviados para a cloud.

A utilização de gateways de IoT prolonga a autonomia da bateria, diminui a latência e reduz os tamanhos de transmissão. Os gateways também permitem ligar dispositivos sem acesso direto à Internet e fornecer uma camada adicional de segurança ao proteger os dados que se movem em ambas as direções.

Como posso ligar dispositivos IoT à rede?

O tipo de conectividade de que precisa depende do dispositivo, da função e dos utilizadores. Normalmente, a distância que os dados têm de percorrer, seja curta ou longa, determina o tipo de conectividade de IoT necessária.

Tipos de redes IoT

Redes de curto alcance e de baixa potência

Estas redes são ideais para residências, escritórios e outros ambientes pequenos. Utilizam pequenas baterias e, em alguns casos, configurações sem bateria, e o funcionamento é geralmente barato.

Os exemplos comuns incluem:

Bluetooth

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

Wi-Fi/802.11

O baixo custo do funcionamento do Wi-Fi torna-o uma norma para residências e escritórios. No entanto, pode não ser a escolha certa para todos os cenários devido ao alcance limitado e consumo de energia 24/7.

Z-Wave

Rede de malha para ligação de dispositivos domésticos com ondas de rádio de baixa potência. O Z-Wave oferece interoperabilidade de camadas de aplicações entre sistemas de automatização doméstica.

Zigbee

Opção comum para automatização doméstica e dispositivos médicos, o Zigbee é mais adequado para redes de área pessoal com dispositivos pequenos de baixa potência e baixa largura de banda de curto alcance.

Redes alargadas de baixa potência (LPWAN)

Permite a comunicação num mínimo de 500 metros, requer potência mínima e é utilizada para a maioria dos dispositivos IoT. Por exemplo, as redes alargadas de longo alcance (LoRaWANs) ligam dispositivos operados a bateria móveis, seguros e bidirecionais.

Os exemplos comuns incluem:

IoT LTE 4G

Oferece alta capacidade, baixa latência e torna estas redes uma ótima opção para cenários de IoT que exigem informações ou atualizações em tempo real.

IoT 5G

Embora ainda não estejam disponíveis, espera-se que as redes IoT 5G permitam mais inovações em IoT ao fornecerem velocidades de transferência e conectividade muito mais rápidas para inúmeros dispositivos numa determinada área.

Cat-0

Estas redes baseadas em LTE são a opção com custo mais baixo. Formam a base da Cat-M, uma tecnologia que substituirá o 2G.

Cat-1

Esta norma para IoT de rede móvel irá eventualmente substituir o 3G. As redes Cat-1 são fáceis de configurar e oferecem uma ótima solução para aplicações que requerem uma interface de voz ou de browser.

Cat-M1 LTE

Estas redes são totalmente compatíveis com as redes LTE. Otimizam o custo e a potência numa segunda geração de chips LTE concebidos especificamente para aplicações IoT.

Narrowband

Esta norma de tecnologia de rádio opera num subconjunto da norma LTE. Concentra-se na cobertura interna e oferece baixos custos e longa autonomia da bateria.

NB-IoT/Cat-M2

Utiliza a modulação de espectro de difusão de sequência direta (DSSS) para enviar os dados diretamente para o servidor e elimina a necessidade de um gateway. Embora as redes NB-IoT tenham um maior custo de configuração, não requerer um gateway torna a sua execução menos dispendiosa.

Sigfox

Este fornecedor de rede IoT global líder oferece redes sem fios para ligar objetos de baixa potência que emitem dados contínuos.

Protocolos de IoT: De que forma os dispositivos IoT comunicam com a rede

Os dispositivos IoT comunicam através de protocolos de IoT. O protocolo IP (Internet Protocol) é um conjunto de regras que determina a forma como os dados são enviados para a Internet. Os protocolos de IoT garantem que as informações de um dispositivo ou sensor são lidas e compreendidas por outro. Considerando a variedade de dispositivos IoT disponíveis, é importante utilizar o protocolo correto no contexto certo.

Qual o protocolo de IoT mais adequado para mim?

O tipo de protocolo de IoT que utiliza dependerá da camada de arquitetura do sistema que os dados percorrem. O modelo Open Systems Interconnection (OSI) fornece um mapa das várias camadas que enviam e recebem dados. Cada protocolo na arquitetura do sistema IoT permite a comunicação entre dispositivos, dispositivo para gateway, gateway para datacenter ou gateway para a cloud, bem como entre datacenters.

Camada de aplicação

A camada de aplicação serve de interface entre o utilizador e o dispositivo.

Advanced Message Queuing Protocol (AMQP)

Uma camada de software que cria interoperabilidade entre o middleware de mensagens. Ajuda uma variedade de sistemas e aplicações a trabalhar em conjunto, ao criar mensagens uniformizadas numa escala industrial.

Constrained Application Protocol (CoAP)

Um protocolo de largura de banda e rede restritas concebido para dispositivos com capacidade limitada para ligação através da comunicação entre computadores. O CoAP é também um protocolo de transferência de documentos executado por UDP (User Datagram Protocol).

Data Distribution Service (DDS)

Um protocolo de comunicação ponto a ponto versátil que faz tudo, desde executar pequenos dispositivos até ligar redes de alto desempenho. O DDS simplifica a implementação, aumenta a fiabilidade e reduz a complexidade.

Message Queue Telemetry Transport (MQTT)

Protocolo de mensagens concebido para comunicações leves entre computadores e utilizado principalmente em ligações de largura de banda baixa a localizações remotas. O MQTT utiliza uma norma de publicador/subscritor e é ideal para pequenos dispositivos que requerem largura de banda e utilização de bateria eficientes.

Camada de transporte

A camada de transporte permite e protege a comunicação dos dados conforme entre as camadas.

Protocolo de Controlo de Transmissão (TCP)

O protocolo dominante para a maioria da conectividade com a Internet. Oferece comunicação entre anfitriões ao dividir grandes conjuntos de dados em pacotes individuais e ao enviar e instalar novamente os pacotes conforme necessário.

UDP (User Datagram Protocol)

Um protocolo de comunicação que permite a comunicação entre processos e executado sobre o IP. O UDP melhora as taxas de transferência de dados relativamente ao TCP e é mais adequado para aplicações que requerem transmissões de dados sem perdas.

Camada de rede

A camada de rede ajuda os dispositivos individuais a comunicar com o router.

6LoWPAN

Uma versão com menor capacidade de IPv6 que reduz os tempos de transmissão.

IPv6

Esta atualização recente ao IP encaminha o tráfego pela Internet e identifica e localiza os dispositivos na rede.

Camada de ligação de dados

A camada de dados transfere os dados dentro da arquitetura do sistema, ao identificar e corrigir os erros encontrados na camada física.

IEEE 802.15.4

Norma de rádio para ligação sem fios de baixa potência. É utilizada com o Zigbee, o 6LoWPAN e outras normas para criar redes incorporadas sem fios.

LPWAN

Este tipo de rede permite comunicações num mínimo de 500 metros. LoRaWAN é um exemplo de rede LPWAN otimizada para consumo de baixa potência.

Camada física

A camada física estabelece um canal de comunicação, o que permite a ligação dos dispositivos num ambiente especificado.

Bluetooth Low Energy (BLE)

Reduz drasticamente o consumo de energia e o custo, além de manter um intervalo de conectividade semelhante ao Bluetooth clássico. O BLE trabalha nativamente em sistemas operativos móveis e está a tornar-se rapidamente um favorito para os aparelhos eletrónicos devido ao baixo custo e à longa autonomia da bateria.

Ethernet

Esta ligação com fios é uma opção menos dispendiosa que fornece uma ligação de dados rápida e baixa latência.

Long-Term Evolution (LTE)

Norma de comunicação de banda larga sem fios para dispositivos móveis e terminais de dados. O LTE aumenta a capacidade e a velocidade das redes sem fios e suporta fluxos de difusão e multicast.

Comunicação de proximidade (NFC)

Conjunto de protocolos de comunicação que utiliza campos eletromagnéticos que permitem a comunicação entre dois dispositivos a uma distância de quatro centímetros entre si. Os dispositivos compatíveis com NFC funcionam como cartões de chave de identidade e são utilizados frequentemente para pagamentos móveis, bilhetes e smart cards sem contacto.

Identificação de frequências de rádio (RFID)

Utiliza campos eletromagnéticos para monitorizar as etiquetas eletrónicas não alimentadas de outra forma. O hardware compatível fornece energia e comunicação com estas etiquetas, ao ler as informações de identificação e autenticação.

Wi-Fi/802.11

Norma para residências e escritórios. Embora seja uma opção de baixo custo, pode se adaptar a todos os cenários devido ao alcance limitado e ao consumo de energia 24/7.

A pilha da tecnologia IoT parte 3:
Plataformas de IoT

As plataformas de IoT facilitam a criação e a inicialização dos seus projetos de IoT ao fornecerem um único serviço que gere a implementação, os dispositivos e os dados. As plataformas de IoT gerem protocolos de hardware e software, oferecem segurança e autenticação, e fornecem interfaces de utilizador.

A definição exata de uma plataforma de IoT varia, uma vez que mais de 400 fornecedores de serviços oferecem funcionalidades desde software e hardware a SDKs e APIs. No entanto, a maioria das plataformas de IoT inclui:

  • Um gateway de cloud IoT
  • Autenticação, gestão de dispositivos e APIs
  • Infraestrutura de cloud
  • Integrações de aplicações de terceiros

Serviços geridos

Os serviços geridos por IoT ajudam as empresas a operar e a manter o ecossistema de IoT de forma proativa. Estão disponíveis vários serviços geridos por IoT para ajudar a simplificar e a suportar o processo de criação, implementação, gestão e monitorização do seu projeto de IoT.

De que forma a IoT se relaciona com as tecnologias atuais

Realidade virtual e IoT

Em conjunto, a realidade virtual e a IoT podem ajudá-lo a contextualizar visualmente sistemas complexos e a tomar decisões em tempo real. Por exemplo, a realidade aumentada (também conhecida como realidade mista) cria uma sobreposição visual dos dados recolhidos e tem uma variedade de utilizações práticas quando associada à IoT. A combinação de realidade virtual e IoT promoveu avanços tecnológicos em setores como serviços de saúde, campo, transporte e fabrico.

Computação quântica e IoT

A quantidade significativa de dados gerados por IoT deve-se naturalmente à capacidade da computação quântica para acelerar a computação pesada. Além disso, a criptografia quântica ajuda a adicionar um nível de segurança necessário mas que, atualmente, é prejudicado pela baixa potência computacional inerente à maioria dos dispositivos IoT.

Blockchain e IoT

Atualmente, não há como confirmar se os dados de IoT não foram manipulados antes de serem vendidos ou partilhados. O blockchain e a IoT trabalham em conjunto para dividir os silos de dados e promover a confiança para que os dados possam ser verificados, monitorizados e considerados fiáveis.

Open source e IoT

As tecnologias open source estão a acelerar a IoT, o que permite aos programadores utilizar as suas ferramentas favoritas nas aplicações com tecnologia IoT.

Sem servidor e IoT

Com o tráfego variável dos projetos de IoT, a capacidade sem servidor oferece uma forma rentável de dimensionar dinamicamente, sem gestão da infraestrutura.

Kubernetes e IoT

Com um modelo de implementação sem tempo de inatividade, o Kubernetes ajuda os projetos de IoT a manterem-se atualizados em tempo real sem afetar os utilizadores. O Kubernetes dimensiona com facilidade e eficiência através dos recursos da cloud, o que fornece uma plataforma comum para implementação no edge.

IA e IoT

Os sistemas de IoT recolhem grandes quantidades de dados geralmente necessários para utilizar IA e machine learning para ordenar e analisar os dados para que possa detetar padrões e agir sobre as informações. Por exemplo, a IA pode analisar os dados recolhidos do equipamento de fabrico e prever a necessidade de manutenção, o que reduz os custos e o tempo de inatividade devido a interrupções inesperadas.

Dados e análise de IoT

As tecnologias IoT produzem grandes volumes de dados que ferramentas e processos especializados têm de transformar em informações acionáveis.

Aplicações comuns da tecnologia IoT:

Manutenção preditiva

Os modelos do modelo de machine learning IoT concebidos e preparados para identificar sinais em dados históricos podem ser utilizados para identificar as mesmas tendências nos dados atuais. Isto permite aos utilizadores automatizar pedidos de serviço preventivos e encomendar novas peças antecipadamente para que estejam sempre disponíveis quando for necessário.

Decisões em tempo real

Arquiteturas de análise IoT em tempo real eficientes são dimensionadas para grandes volumes de dados e baixa latência. Estão disponíveis vários serviços de análise IoT com componentes concebidos para fornecer relatórios ponto a ponto em tempo real, incluindo:

  • Armazenamento de dados de elevado volume com formatos que as ferramentas de análise conseguem consultar.
  • Processamento de fluxos de dados de elevado volume para filtrar e agregar os dados antes da execução da análise.
  • Retorno da análise de baixa latência com ferramentas de análise em tempo real que reportam e visualizam os dados.
  • Entrada de dados em tempo real com mediadores de mensagens.

Desafios comuns da tecnologia IoT:

Armazenamento de dados

A recolha massiva de dados leva a grandes necessidades de armazenamento de dados. Estão disponíveis vários serviços de armazenamento de dados que variam entre estruturas organizacionais, protocolos de autenticação e limites de tamanho.

Processamento de dados

O volume de dados recolhidos através de IoT apresenta desafios para limpar, processar e interpretar em velocidade. A computação no edge resolve estes desafios ao mudar a maior parte do processamento de dados de um sistema centralizado para o edge da rede, mais perto dos dispositivos que precisam dos dados. No entanto, a descentralização do processamento de dados apresenta novos desafios, incluindo a fiabilidade e a escalabilidade de dispositivos edge e a segurança dos dados em trânsito.

Segurança de IoT, segurança e privacidade

A segurança e a privacidade da IoT são considerações essenciais em qualquer projeto de IoT. Embora as tecnologias IoT possam transformar as suas operações empresariais, os dispositivos IoT podem representar ameaças se não forem devidamente protegidos. O ataques cibernéticos podem comprometer os dados, arruinar os equipamentos e até mesmo causar danos.

Uma forte segurança cibernética IoT vai além das medidas de confidencialidade padrão para incluir modelação de ameaças. Compreender as diferentes formas como os atacantes podem comprometer o seu sistema é o primeiro passo para impedir ataques.

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