Os 7 principais componentes do ecossistema IoT

A Internet das Coisas (IoT) refere-se a um conjunto de coisas interligadas capazes de detetar, atuar e comunicar numa vasta rede com ou sem intervenção humana direta. São também capazes de agir autonomamente de acordo com as mudanças no ambiente, desencadeando processos e partilhando essas informações na rede para processar e gerar informações valiosas sobre o seu ambiente. Esta é atualmente uma tecnologia bem estabelecida e em rápido crescimento, com mais de 20 mil milhões de dispositivos identificados como dispositivos IoT até 2025.

Os conceitos fundamentais subjacentes à IoT são os "objectos inteligentes" e os "ambientes inteligentes". Um objeto inteligente é um objeto físico que está equipado com um processador, um sistema de armazenamento de dados, um sistema de sensores e uma tecnologia de rede para comunicação. Alguns destes objectos podem afetar o seu ambiente através de actuadores. Seguindo a mesma definição, um ambiente inteligente refere-se à extensão física em que os objectos inteligentes estão implantados e interagem. Tendo agora uma breve compreensão do enquadramento da IdC, vejamos agora os principais componentes da IdC.

Coisa ou dispositivo

As coisas e os dispositivos da IdC são designados por componentes, como sensores, actuadores e, por vezes, podem incluir objectos de vestuário com sensores e actuadores incorporados. Estes são implantados na camada física de uma arquitetura IoT que funciona como a espinha dorsal do quadro IoT. As principais funções destes objectos e dispositivos consistem em detetar e recolher dados do ambiente e implementar qualquer mecanismo de controlo necessário para controlar as variáveis necessárias no ambiente.

1. Sensores

Estes são os componentes responsáveis pela deteção e deteção de qualquer alteração e leitura do ambiente. Hoje em dia, os sensores podem detetar quase tudo, desde a temperatura até à pressão sanguínea humana e sensores avançados capazes de medir outras complexidades. Todas estas funcionalidades são ainda possíveis ocupando um espaço muito reduzido graças a tecnologias modernas como a integração em muito grande escala (VLSI). O VLSI deu origem a um novo conjunto de sensores avançados conhecidos como sistemas microelectromecânicos (MEMS), que são agora muito comuns na maioria das aplicações IoT. Seguem-se algumas das categorias de sensores mais utilizadas:

• Sensores de temperatura: Estes sensores medem as variações de temperatura no ambiente de deteção. Existem diferentes tipos de sensores de temperatura, dependendo da tecnologia de deteção da temperatura, tais como termopares, termistores, sensores IR e detectores de temperatura por resistência (RTD)
• Sensores de proximidade: Estes sensores detectam a presença ou ausência de um objeto próximo ou as suas propriedades. Existem diferentes tipos de sensores de proximidade, como os sensores indutivos, os sensores capacitivos, os sensores ultra-sónicos e os sensores fotoeléctricos.
• Sensores de deteção de movimento: Estes sensores detectam qualquer movimento físico numa determinada área. Os sensores ultra-sónicos, os sensores de infravermelhos passivos (PIR) e os sensores de micro-ondas são alguns dos sensores mais utilizados.
• Sensores ópticos: Estes sensores são capazes de captar fotões de luz e convertê-los em sinais para interpretar informações importantes sobre o ambiente.
• Sensores de pressão: Estes sensores detectam qualquer alteração de pressão no ambiente de deteção.
• Giroscópios e Acelerómetros: Estes sensores são capazes de medir qualquer movimento de rotação e aceleração.
• Sensores químicos e de gás: Estes sensores detectam a presença de determinados produtos químicos e gases no ambiente. Existem diferentes tipos e famílias destes sensores, consoante os requisitos.
• Sensores de humidade: Estes medem a humidade no ambiente.

2. Actuadores

São o oposto dos sensores. Actuam sobre o ambiente em função de determinadas instruções ou dados de deteção. Vejamos isto através de um exemplo. Considere uma aplicação IoT implementada numa aplicação agrícola para controlar o fluxo de água para a vegetação. Para o efeito, podemos utilizar sensores de nível de água e sensores de humidade do solo para detetar o nível de água no solo. Agora, podemos fornecer água utilizando bombas através do controlo de uma válvula. Aqui, a válvula actua como um atuador. Quando os sensores detectam uma quantidade excessiva de água, enviam um sinal para as válvulas, que são os actuadores para fechar a bomba.

O tipo de atuador utilizado dependerá da vertical e do caso de utilização. Podem ser necessários para ligar ou desligar um interrutor ou controlar uma válvula, como no nosso exemplo anterior, ou podem exigir acções avançadas, como agarrar, rodar e rodar.

Conectividade e redes

As aplicações IoT envolvem dispositivos, sensores, actuadores e nuvem que se comunicam entre si para tomar decisões e processar os dados recolhidos. Para tal, é essencial estabelecer meios de interligação destes componentes num ecossistema IoT. Por conseguinte, a conetividade é outro componente essencial para a realização das aplicações IoT. Em geral, existem dois tipos de metodologias de communications para estabelecer a conetividade, nomeadamente: communication sem fios e communication com fios. A escolha entre estas duas depende totalmente do caso de utilização e da vertical.

Co1TP14Protocolos de comunicação

Agora, uma vez recolhidos os dados e obtidos os dados de controlo necessários, é necessário communicar esses dados para a plataforma em nuvem ou para a periferia, conforme necessário. Para o efeito, as aplicações IoT utilizam diferentes tipos de protocolos de communicação.

Quando os nós de extremidade (incluindo sensores e actuadores) são estabelecidos a curta distância, são coletivamente designados por redes de área pessoal (PAN). As PAN empregam normalmente protocolos não Internet para a comunicação. No entanto, também existem protocolos baseados no IP. Estes protocolos para PANs são definidos no âmbito das definições de rede de área pessoal sem fios IEEE 802.15. Alguns dos protocolos são o Bluetooth 5, ZigBee e protocolos Z-Wave. Além disso, protocolos como 6LoWPAN são trazidos à luz para que os protocolos baseados em IP também estejam presentes nas PANs.

No caso de os nós de extremidade estarem distribuídos por uma vasta área, são coletivamente conhecidos como redes de área alargada (WAN) ou redes de área local (LAN). Estes dois termos são por vezes utilizados indistintamente. Essas LANs usam protocolos de comunicação baseados em IP para fazer a comunicação entre os dispositivos dos nós e a nuvem. Uma vez que requerem protocolos de comunicação de longo alcance com uma quantidade considerável de energia para viajar. Alguns dos protocolos mais conhecidos são LoRaWAN, MQTT, HTTP, celular (4G/3G) e Wi-Fi são alguns dos protocolos de comunicação mais utilizados.

Nuvem

A nuvem IoT pode ser considerada como o local onde reside a "inteligência". A nuvem recolherá todos os dados recolhidos através do protocolo de comunicação relevante e efectuará o processamento necessário. A nuvem IoT, para além de recolher e processar os dados, pode armazenar e gerir os dados em tempo real. Por conseguinte, um fator importante na decisão de um serviço de nuvem adequado é considerar a latência envolvida nos serviços de nuvem. Os fornecedores de serviços de computação em nuvem suportam uma gama de produtos XaaS (Everything as a Service). Os serviços incluem Networking as a Service (NaaS), Software as a Service (SaaS), Platform as a Service (PaaS) e Infrastructure as a Service (IaaS). O utilizador pode decidir qual o serviço a utilizar consoante o caso de utilização e a vertical da IoT.

Em termos simples, a nuvem IoT consistiria numa rede de serviços optimizada para os serviços acima referidos e para gerir uma enorme quantidade de dados em tempo real. Também contém um sistema de base de dados de gestão distribuída.

Apesar da facilidade e do menor custo operacional, surgiu uma nova tendência para processar e gerir dados relevantes na própria periferia, conduzindo a novos conceitos como a computação periférica e a computação em nevoeiro. A preferência entre a computação em nuvem e a computação periférica depende da aplicação, sendo a computação periférica preferida quando são necessárias grandes quantidades de processamento de dados no local.

Análise IoT

Os dados físicos adquiridos pelos sensores são convertidos em sinais digitais na extremidade e estes sinais digitais podem ter consequências acionáveis. Por exemplo, podemos precisar de classificar os sinais vitais dos pacientes como graves ou saudáveis. Para este efeito, podemos recolher dados do paciente utilizando sensores e recolher os dados como uma série temporal e processá-los utilizando um motor baseado em regras para fazer a nossa previsão. No caso de uma emergência, a precisão e a velocidade deste motor baseado em regras desempenham um papel fundamental. Além disso, é importante executar uma ação immediate para a previsão.

Para realizar estas funções, podemos utilizar modelos de aprendizagem profunda para análise preditiva e várias técnicas de aprendizagem automática para prever tendências, resolver problemas de regressão, conceber previsões de eventos e até tomar decisões úteis.

A análise requer uma capacidade de armazenamento e um poder computacional consideráveis para efetuar estas operações e tomar decisões inteligentes. Por conseguinte, são idealmente alojadas na nuvem IoT. No entanto, conceitos emergentes como o TinyML abriram portas para a tomada de decisões na própria periferia.

Interface do utilizador

Este é o componente em que o utilizador final interage ativamente com o nosso ecossistema IoT. O utilizador pode controlar todo o sistema e definir as suas alterações e preferências. Por conseguinte, a interface do utilizador funcionará como a abstração de alto nível de todo o sistema.

A interface do utilizador pode ser incorporada no próprio dispositivo ou pode ser instalada em dispositivos portáteis, telemóveis inteligentes, tablets ou pode assumir a forma de uma aplicação Web. Os painéis de controlo IoT são outra plataforma popular, mas por vezes requerem algumas competências técnicas para interagir com eles. Por último, se alguma vez tiver a oportunidade de conceber uma interface de utilizador, lembre-se de que o design é uma consideração importante. Adicione alguns tipos de letra interessantes, suporte de voz e interfaces tácteis para tornar o produto mais competitivo no mercado.

Vejamos agora mais componentes adicionais num ecossistema IoT.

Segurança

Este é um componente que é maioritariamente ignorado pelos designers e arquitectos de IoT quando concebem aplicações IoT, o que tem levado a que cada vez mais dispositivos fiquem vulneráveis a ataques. Um sistema seguro deve comprometer uma estratégia de oposição, uma estratégia de recuperação e deve ser capaz de reconhecer quaisquer ataques maliciosos ao sistema.

Idealmente, estes sistemas de segurança podem ser implantados na nuvem e podem ser incorporados em componentes de rede.

Gateway IoT

Gateways IoT tornaram-se um componente popular com o número crescente de sensores e dispositivos de nós que ligam um determinado sistema IoT. Isto está a facilitar a gestão do tráfego de dados e, além disso, podem fornecer medidas de segurança de dados juntamente com o pré-processamento de dados para remover dados indesejados ou corrompidos. Além disso, as gateways IoT mais avançadas estão equipadas com a capacidade de analisar dados e tomar decisões inteligentes, o que, por outro lado, reduz a carga sobre o serviço de computação em nuvem.

Conclusão 

A Internet das coisas, que já é uma tecnologia madura, registou um rápido crescimento com o avanço de novas tecnologias e novos protocolos que se juntaram ao domínio. É provável que ganhe uma nova dimensão com a chegada de novas tecnologias de comunicação, como a 5G, e terá um futuro promissor.