Tecnologias e protocolos de IoT
Familiarize-se com o mundo e a tecnologia de IoT. Este guia fornecerá uma base sólida de protocolos e tecnologias 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 ligação entre fábricas de fabrico industrial, retalho inteligente, cuidados de saúde de próxima geração, 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.
A tecnologia de IoT continua 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. Se estiver à procura de uma introdução mais básica à tecnologia de IoT, veja os guias da Web O que é a IoT? e Cibersegurança na IoT .
Ecossistema da tecnologia de IoT
O ecossistema da tecnologia de 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 de IoT, incluindo a gestão de faturação e dados do marketplace.
Camada de utilizador
As pessoas que interagem com dispositivos e tecnologias de IoT.
Saiba mais sobre como ligar corretamente os dispositivos quando utiliza o Hub IoT do Azure.
A pilha da tecnologia de IoT parte 1:
Dispositivos IoT
Os dispositivos IoT variam bastante, mas tendem a partilhar estes conceitos e vocabulário comuns. Também pode saber mais sobre as variedades de dispositivos que utilizam a tecnologia de IoT neste catálogo de dispositivos IoT.
Atuadores
Os atuadores realizam ações físicas quando o centro de controlo dá instruções, normalmente como resposta a alterações identificadas por sensores. São um tipo de transdutor.
Sistemas incorporados
Os sistemas incorporados são sistemas baseados em microprocessadores ou microcontroladores que gerem uma função específica num sistema maior. Incluem tanto componentes de hardware como software, como o Azure RTOS.
Dispositivos inteligentes
Dispositivos que podem fazer computações. Incluem, muitas vezes, um microcontrolador e podem utilizar serviços como o Azure IoT Edge para implementar melhor determinadas cargas de trabalho nos dispositivos.
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)
As MPUs realizam 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
Dispositivos que apenas ligam e transmitem dados e não têm capacidade de computação.
Transdutores
De um modo geral, os transdutores são dispositivos 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 dispositivos interagem com o ambiente.
Sensores
Os sensores detetam alterações nos ambientes e criam impulsos elétricos para comunicar. Os sensores detetam normalmente mudanças ambientais, como alterações na temperatura, químicos e posição física e são um tipo de transdutor.
A pilha da tecnologia de IoT parte 2:
Conectividade e protocolos de IoT
Ligar dispositivos IoT
Um dos principais aspetos do planeamento de um projeto de tecnologia de IoT é determinar os protocolos IoT dos dispositivos, ou seja, como estes se ligam e comunicam entre si. Na pilha da tecnologia de IoT, os dispositivos ligam-se entre si através de gateways ou da funcionalidade incorporada.
O que são gateways de IoT?
Os gateways fazem parte da tecnologia de IoT que podem ser utilizados para ligar os dispositivos IoT à cloud. Embora nem todos os dispositivos IoT exijam um gateway, podem ser utilizados para estabelecer comunicação dispositivo para dispositivo ou para ligar dispositivos não baseados em IP e que não se podem ligar à cloud diretamente. 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 dos gateways de IoT podem reduzir a latência e os tamanhos das transmissões. Ter gateways como parte dos seus protocolos de IoT também lhe permite 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 que vai utilizar como parte do protocolo de IoT depende do dispositivo, da função do mesmo 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 baixa potência
As redes de baixa potência e alcance curto são ideais para residências, escritórios e outros ambientes pequenos. Geralmente, precisam apenas de pequenas baterias e o seu funcionamento é económico.
Exemplos comuns:
Bluetooth
Ideal para transferência de dados de alta velocidade, o Bluetooth envia sinais de voz e dados até 10 metros.
NFC
Um conjunto de protocolos de comunicação para comunicação entre dois dispositivos eletrónicos a uma distância de quatro centímetros ou menos. O NFC oferece uma ligação de baixa velocidade com uma configuração simples que pode ser utilizado para funcionar como um programa de arranque do sistema em ligações sem fios mais capazes.
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
Uma rede de malha que utiliza ondas de rádio de baixa potência para comunicar de dispositivo para dispositivo.
Zigbee
Uma especificação baseada em IEEE 802.15.4 para um conjunto de protocolos de comunicação de alto nível utilizada para criar redes locais pessoais com rádios digitais pequenos e de baixa potência.
Redes alargadas de baixa potência (LPWAN)
Os LPWANs permitem a comunicação num mínimo de 500 metros, requerem energia mínima e são utilizados na maioria dos dispositivos IoT. Alguns exemplos de LPWANs comuns incluem:
IoT LTE 4G
Alta capacidade e baixa latência, estas redes são 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.
LoRaWAN
As redes alargadas de longo alcance (LoRaWAN) ligam dispositivos operados a bateria móveis, seguros e bidirecionais.
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.
Banda estreita ou NB-IoT/Cat-M2
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 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 dispositivo, um gateway ou um serviço. Têm sido concebidos diferentes protocolos de IoT e otimizados para diferentes cenários e utilização. Considerando a variedade de dispositivos IoT disponíveis, é importante utilizar o protocolo correto no contexto certo.
Qual é o protocolo de IoT mais adequado para mim?
O tipo de protocolo de IoT de que vai precisar depende da camada da arquitetura do sistema que os dados vão percorrer. O modelo Open Systems Interconnection (OSI) fornece um mapa das várias camadas que enviam e recebem dados. Cada protocolo de IoT 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 num determinado protocolo de IoT.
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 entre elementos da rede 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
Em qualquer protocolo de IoT, 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 dos protocolos de IoT ajuda os dispositivos individuais a comunicar com o router.
IP
Muitos protocolos de IoT utilizam IPv4, enquanto as execuções mais recentes utilizam IPv6. Esta atualização recente ao IP encaminha o tráfego pela Internet e identifica e localiza os dispositivos na rede.
6LoWPAN
Este protocolo de IoT funciona melhor com dispositivos de baixo consumo e que têm capacidades de processamento limitadas.
Camada de ligação de dados
A camada de dados é a parte dos protocolos de IoT que transfere os dados dentro da arquitetura do sistema, identificando e corrigindo 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
As redes de baixa potência e rede alargada LPWAN) permitem comunicações entre distâncias de 500 metros até mais de 10 km, em alguns locais. LoRaWAN é um exemplo de LPWAN otimizada para consumo de baixa potência.
Camada física
A camada física é o canal de comunicação entre dispositivos num ambiente específico.
Bluetooth Low Energy (BLE)
O 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)
Um 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.
Comunicação através de Rede Elétrica (PLC)
Uma tecnologia de comunicação que permite o envio e a receção de dados através de cabos elétricos já existentes. Desta forma, pode ligar e controlar um dispositivo IoT com o mesmo cabo.
Identificação de frequências de rádio (RFID)
O 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
O Wi-Fi/802.11 é um padrão para casas e escritórios. Embora seja uma opção de baixo custo, pode não se adaptar a todos os cenários devido ao alcance limitado e ao consumo de energia 24/7.
Z-Wave
Uma rede de malha que utiliza ondas de rádio de baixa potência para comunicar de dispositivo para dispositivo.
Zigbee
Uma especificação baseada em IEEE 802.15.4 para um conjunto de protocolos de comunicação de alto nível utilizada para criar redes locais pessoais com rádios digitais pequenos e de baixa potência.
A pilha da tecnologia de 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 de 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, como o Hub IoT do Azure, para ajudar a simplificar e a suportar o processo de criação, implementação, gestão e monitorização do seu projeto de IoT.
Aplicações de IoT das tecnologias atuais
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.
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.
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.
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 de IoT.
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 de IoT.
Sem servidor e IoT
A computação sem servidor permite aos programadores criar aplicações mais rapidamente ao eliminar a necessidade de gestão da infraestrutura. Com aplicações sem servidor, o fornecedor de serviços em nuvem aprovisiona, dimensiona e gere automaticamente a infraestrutura necessária para executar o código. Com o tráfego variável dos projetos de IoT, a capacidade sem servidor oferece uma forma rentável de dimensionar dinamicamente.
Realidade virtual e IoT
Em conjunto, a realidade virtual e a IoT podem ajudá-lo a visualizar sistemas complexos e a tomar decisões em tempo real. Por exemplo, através da utilização de uma forma de realidade virtual denominada realidade aumentada (também conhecida como realidade mista), pode apresentar gráficos de dados IoT importantes sobre objetos do mundo real (como os seus dispositivos IoT) ou locais de trabalho. Esta combinação de realidade virtual e IoT inspirou avanços tecnológicos em setores como serviços de saúde, serviços no terreno, transporte e fabrico.
Digital Twins e IoT
Testar os sistemas antes da execução pode ser uma medida que contribui bastante para a redução de custos e de tempo. O Digital Twins obtem dados de múltiplos dispositivos de IoT e integram-nos nos dados de outras origens para oferecer uma visualização da forma como o sistema vai interagir com dispositivos, pessoas e espaços.
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 e desafios comuns da tecnologia de IoT:
Aplicação: Manutenção preditiva
Os modelos 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.
Aplicação: Decisões em tempo real
Estão disponíveis vários serviços de análise IoT concebidos para relatórios ponto a ponto e em tempo real, incluindo:
- Armazenamento de dados de elevado volume comformatos 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.
Desafio: 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.
Desafio: 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 de IoT são considerações essenciais em qualquer projeto de IoT. Embora a tecnologia IoT possa transformar as suas operações empresariais, os dispositivos IoT podem representar ameaças se não forem devidamente protegidos. Os ataques cibernéticos podem comprometer os dados, arruinar os equipamentos e até mesmo causar danos.
Uma forte cibersegurança de IoT, como o Azure Sphere, vai além das medidas de confidencialidade padrão, incluindo também modelação de ameaças. Compreender as diferentes formas como os atacantes podem comprometer o seu sistema é o primeiro passo para impedir ataques.
Ao planear e desenvolver o seu sistema de segurança de IoT, é importante escolher a solução certa para todas as fases da plataforma e do sistema, desde Tecnologia Operacional a Tecnologias de Informação. As soluções de software como o Azure Defenderdão-lhe a proteção de que precisa em todo o seu sistema.
Recursos para começar
Programa da Internet das Coisas
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