19/09/2014

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Internet das Coisas e Redes de Sensores Sem Fio

Professor OMAR BRANQUINHO

Pontos iniciais

• Porque estudar a IoT no contexto de um curso de redes de computadores?

• A Internet pode ser considerada uma enorme rede de computadores?

• Como será a evolução das redes de computadores com a IoT?

• Falta alguma coisa que ainda não utiliza as redes de computadores?

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Constatação

• Faltam as coisas se comunicarem!

• Este é o próximo passo na evolução da Internet e, portanto, na evolução das redes de computadores;

• Muitos processos precisam ser monitorados e controlados;

• Aumento de eficiência e redução de custo;

• Questões relacionadas com sustentabilidade.

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Onde vai chegar

• A previsão é que em todas as redes corporativas vai existir, além das pessoas, as coisas que serão monitoradas/controladas;

• Os profissionais que trabalham ou vão trabalhar em rede de computadores precisam se preparar para este novo cenário;

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IoT

• A IoT, também conhecida como Internet dos Objetos, é uma revolução da Internet e portanto das redes de computadores.

• A IoT é considerada a próxima grande evolução para nós seres humanos e vai mudar como vivemos com as coisas.

• Com esta possibilidade será possível adquirir dados, armazenar, gerar informação, criar conhecimento e capacidade de decisão.

• Esta possibilidade vai ser um diferencial em como vemos as coisas e a capacidade de otimizar processos. Existe a possibilidade de aproximar pobres e ricos, otimizar recursos, aplicar na sustentabilidade, nos tornando mais pró ativos que reativos. 5

Arduino, Radiuino e ScadaBR

• Possibilidade de implementar a IoT de forma experimental

• ‘Do-it-Yourself’ (DiY)

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Como entrar na IoT

• Computador

• Rede local

• Internet

• Protocolos

• Base de dados

• Comunicação

• Sensores

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O que é Internet das Coisas

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Histórico

• Local area networks

• Connection standards – IEEE 802

• Internet of computers

• World Wide Web (WWW)

• File transfer protocol (FTP)

• Users communication

• Devices evolution

• New technologies

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IoT Cria Nova Dimensão

11http://www.itu.int/itunews/manager/display.asp?lang=en&year=2005&issue=09&ipage=things

Evolução das Coisas

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Cisco

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Pirâmide

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Dados brutos dos processos

Dados processados viram informação.Volume de dados identifica tendênciase padrões.

Tendências e padrões de várias fontesvira conhecimento.

Sabedoria nasce do conhecimento maisexperiência. Capacidade de decidir.

A IoT aumenta dramaticamente a quantidade de dados.Quanto mais dados, mais conhecimento e mais capacidade de decidir

Como se implementa a Internet das Coisas?

• Conjunto de diferentes ambientes

• Pensar em uma estrutura genérica com todos os elementos possíveis

• Entender a função de cada elemento

• Entender o papel da rede de sensores sem fio (RSSF) como um elemento fundamental

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Mais um Elemento de Rede

• As coisas vão se comunicar utilizando algum padrão ou tecnologias proprietárias;

• Os padrões para comunicação das pessoas não é adequado;

• A complexidade dos elementos que monitoram e controlam pode não ser viável.

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Visão dos Segmentos

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Freescale

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Multidisciplinar

• A rede deve atender aplicações específicas

• Vários conceitos diferentes devem ser tratados

• Altamente customizada

• Várias questões em aberto:– Propagação

– Cross layer

– Consumo

• Necessidade de Gerência dos dados e da rede

• Muita simulação e poucos trabalhos práticos

• Não é plug and play

• Na essência é uma rede de dados e a utilização de uma pilha de protocolos é necessário

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Arquitetura de uma RSSF

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Sensores (ou Nós)

Gateway

TCP/IP

Servidor de Aplicação

Servidor de Dados

Usuário

Gerência

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Nó sensor em detalhe

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Gateway

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RSSF Internet

Módulo de Comunicação

Sem Fio

Módulo de Comunicação

Ethernet

Microprocessador

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Pilha TCP/IP

Funcionamento Lógico do Gateway

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HardwareRSSF

HardwareInternet

Sistema Operacional

Protocolo de Integração

Pilha RSSF

Protocolo Aplicação RSSF

Exemplo de Gateway

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Implementação do Gateway

• Beaglebone

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Exemplo de Gateway

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Implementação Gateway

• Esta placa vai instalada acima do Beaglebone. Observar nesta solução um real time clock (RTC) que permite recuperar data caso a placa seja desligada.

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Gerência

• O sistema de gerência monitora a RSSF para garantir seu funcionamento.

• O desempenho de rede sem fio varia em função do tipo de ambiente e o acompanhamento de seu desempenho é necessário.

• A questão gerência será tratada em detalhe mais a frente neste material.

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Servidor de Dados

• Este elemento armazena os dados coletados.

• Trata-se essencialmente de um banco de dados.

• Este elemento pode estar na nuvem, uma vez que deve ter capacidade de armazenar grande volume de dados.

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Servidor de Aplicação/Dados

• Disponibilização de aplicação para a Internet– Gráficos

– Tabelas

• Modelo de banco de dados é fundamental

• Desafio: Big Data– Muitos dados

– Muito processamento

– Pouca Informação

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Pilha de Protocolos

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PHY

MAC(Enlace)

NET

TRANSP

APPFunções ligadas ao desenvolvimento das aplicações diretamente, como medidas de grandezas e controle de processos.

Funções de controle da comunicação como ACK, contagem de pacotes, disciplina de transmissão.

Identificação do sensor e rede contemplando funções para tratamento de roteamento de pacotes na rede.

Funções para controlar os processos de recepção e principalmente transmissão. Política de economia de energia.

Funções relacionadas com a parte de rádio como: potência, canal. Possível evoluir para alterar outras características do rádio.

Espelho TCP/IP

Camada Física

• A camada física é responsável pelos aspectos ligados ao processo de transmissão. Trata dos parâmetros que devem ser ajustados no transceptor:

– Frequência;

– Modulação;

– Potência;

– Offset de frequência;

– Código corretor de erro;

– Etc;

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Bandas Não Licenciadas

ExtremelyLow

VeryLow

Low Medium High VeryHigh

Infrared VisibleLight

Ultra-violet

X-Rays

AudioAM Broadcast

Short Wave Radio FM BroadcastTelevision Infrared Wireless LAN

Cellular (840 MHz)NPCS (1.9 GHz)

UltraHigh

SuperHigh

902–928 MHz

26 MHz

802.15.4

902–928 MHz

26 MHz

802.15.4

5 GHz

802.11

802.16

5 GHz

802.11

802.16

2.4–2.4835 GHz

83.5 MHz

802.11

802.15

2.4–2.4835 GHz

83.5 MHz

802.11

802.15

No Brasil – 902-907,5 e 915-928

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PropagaçãoAtenuação no Espaço Livre

Distância 10m

Freq 9,15E+08Hz

Comp onda 0,33m

Aten dB 51,67dB

Distância 10m

Freq 2,40E+09Hz

Comp onda 0,13m

Aten dB 60,05dB

dL

dBEL

4log20

Atenuação

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Antenas

• Negligência com relação a antenas

• Escolha do tipo adequado

– Omnidirecional

– Setorial

– Direcional

• Escolha do local da antena

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Controle de Acesso ao Meio MAC

• Existem vários tipos de MAC para atender diferentes condições. que é responsável pela decisão do estado em que deve estar o sistema, que pode ser:

– Transmissão

– Recepção

– Dormência – para economia de energia

• Basicamente existem os seguintes tipos:

– Com disputa;

– Sem disputa;

– Misto ou híbrido.

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Camada de Rede

• Nesta camada está o endereço do nó sensor e as estratégias de roteamento.

• Os dados coletados pelos nós sensores deve fluir através dos nós sensores ou ir diretamente para a o gateway.

• O tipo de roteamento vai depender fortemente das necessidades e especificidades da RSSF, podendo ser quebrado em 4 tipos:– Centrado nos Dados e Flat;

– Hierárquico;

– Geográfico;

– Qualidade de Serviço (QoS).

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Camada de Transporte

• O sucesso e eficiência de uma RSSF depende diretamente da confiabilidade da comunicação entre os nós sensores e o gateway.

• Portanto, a camada de transporte deve prover técnicas que garantam a confiabilidade da comunicação, basicamente permitindo o controle do fluxo de dados na RSSF.

• Os objetivos principais da camada de transporte são:

– Controle de congestionamento;

– Transporte confiável;

– (De)multiplexação de diferentes serviços.

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Camada de Aplicação

• A função da camada de aplicação é abstrair a topologia física da RSSF da aplicação.

• Portanto, a camada de aplicação deve prover a interface do usuário com os processos de transmissão, isolando a aplicação dos mecanismos utilizados para a conexão entre os nós sensores e o gateway.

• Um exemplo deste tipo de aplicação seria a monitoração de alguma grandeza, como temperatura, e o controle de algum processo, como ligar e desligar um exaustor.

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Cross Layer

• Comunicação sem fio é instável

• Impacto nas camadas superiores

• Estratégias para combater instabilidade

• Operação em diferentes frequências– 433MHz

– 915MHz

– 2,4GHz

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Topologia Básica

• Estrela

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Topologias

• Mesh

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Protocolo de Integração

• Simple Network Management Protocol

SNMP

• Integração via serviço Web

Web Service

• HyperText Transfer Protocol

HTTP

• Protocolo de indústria

Modbus

• Protocolo sobre socket com formato proprietário

Proprietário

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SNMP

• Simple Network Management Protocol

• É protocolo mais adequado para gerência;

• Simples implementação;

• Muitas ferramentas de gerência;

• Largamente utilizado;

• Criação de MIB específica para RSSF.

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SNMP

• O SNMP é um protocolo largamente utilizado para gerência de rede de computadores.

• Esta solução aproveita a grande quantidade de ferramentas de gerência disponíveis.

• Para atender o paradigma do protocolo SNMP é necessário implementar um agente no mini computador e o desenvolvimento de uma MIB (Management Information Base) que possua as informações necessárias para monitorar as grandezas e controlar os processos.

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SNMP

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SNMP

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Gerente e Agente

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Comandos SNMP

• Get

• Set

• Trap

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Get, Set e Trap

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SNMP

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SNMP

• A OID (Object Identification) tem as informações que constam da MIB.

• Na MIB do SNMP é construída uma árvore que estabelece a correspondência entre as grandezas monitoradas e a OID.

• A Figura 29 apresenta um exemplo da árvore de OID e a identificação das folhas, que guardam os valores.

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SNMP

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Gerência RSSF

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Proxy Manager

Exemplo de Implementação

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Web Service

• A solução Web Service é uma aplicação cliente servidor e necessita da instalação de um software para receber as conexões via browser.

• Um exemplo desta estrutura é possível com a utilização do software SCADA (supervisory control and data acquisition).

• Este tipo de software é largamente utilizado no setor industrial para monitoração e controle de processo.

• Em geral este tipo de software é bastante caro.

• No Brasil existe uma iniciativa de desenvolvimento de um SCADA open source chamado ScadaBR.

• A Figura 30 apresenta esta arquitetura.

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Web Service

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HTTP

• A solução básica HTTP necessita do desenvolvimento de uma pagina que contenha as informações da RSSF e a capacidade de inserir parâmetros para controle da rede.

• A Figura 31 apresenta uma solução utilizando HTTP e ScadaBR.

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HTTP

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Socket

• Também é possível desenvolver sua própria solução de conexão utilizando socket.

• Neste caso deve ser desenvolvido um software que vai se conectar com o gateway utilizando uma porta.

• A Figura 32 mostra uma solução utilizando socket.

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Socket

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Socket

• Observar a utilização de uma porta em cada computador, que define o processo.

• Embora a figura mostre o protocolo TCP é possível criar socket com UDP.

• E escolha da utilização de TCP ou UDP depende do tipo de aplicação e como será feito o controle de fluxo.

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Gerência de Rede

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Gerência de Rede

• A gerência é um dos pontos críticos nas redes de sensores sem fio.

• Um problema é a falta de entendimento do que significa a gerência para RSSF.

• Outra questão é não utilização de gerência, em geral, nas redes WiFi.

• Este fato levou a uma negligência na criação de ferramentas que façam a monitoração de redes sem fio, capazes de avaliar o desempenho e tomar ações para melhora da eficiência.

• Neste item são trados as áreas de gerência e sua aplicação às RSSF.

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Planos de Gerência para RSSF

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Planos de Gerência - RSSF

• Plano de gerência de potência – utilizado no caso da necessidade e economia de energia pelos nós sensores.

• Plano de gerência de mobilidade – no caso de existirem nós móveis.

• Plano de gerência de tarefa – para gerenciar a realização de tarefas, por exemplo, criação de prioridades.

• Plano de gerência de topologia – para gerenciar a topologia utilizada, por exemplo, estrela ou mesh.

• Plano de gerência de sincronismos – no caso de redes que utilizam temporização para sincronizar processos na rede.

• Plano de gerência de localização – para localizar fisicamente nós sensores na rede.

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Áreas de Gerência

• Deve ser projetada pensando nos cinco pilares estabelecidos pela ISO

– Configuração

– Desempenho

– Falha

– Segurança

– Contabilidade

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Áreas de Gerência

• Um ponto a se destacar é que no caso de RSSF a gerência pode ser dividida em duas partes: dados e rede.

• A gerência de dados está ligada aos processos que serão monitorados e controlados.

• A gerência de rede está ligada, especificamente, em aspectos relacionados com o funcionamento da RSSF.

• Neste material será dado foco na gerência da rede para avaliar os aspectos de funcionamento da RSSF.

• Para cada área de gerência serão identificados aspectos a serem considerados para avaliar o adequado funcionamento.

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Pilares da Gerência

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Configuração

• Endereçamento dos sensores

• Frequência de operação

• Função dos nós sensores

• Conexão lógica física

• Especificação dos transdutores

• Especificação dos atuadores

• Planejamento

• Cobertura

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Desempenho

• Indicadores de desempenho

• Medidas de parâmetros como RSSI tensão de bateria, etc

• Estatísticas de funcionamento

• Detectar anomalias na rede

• Medir taxa efetiva de comunicação

• Medir latência

• Disponibilidade

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Falha

• Detectar condições anormais

• Diagnóstico do que levou a falha

• Atuação para correção

• Acompanhamento de solução do problema

• Ações preventivas para evitar falha

• Erro de roteamento

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Segurança

• Proteção da informação

• Proteção da integridade dos comandos

• Proteção da integridade física da RSSF

• Proteção física da rede

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Contabilidade

• Medida do uso da rede

• Valor da rede no negócio

• Ganho com a rede

• Valor do histórico acumulado

• Previsão de rendimento

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Exemplo de Rede de Sensores Sem Fio – RSSF

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75https://community.freescale.com/community/the-embedded-beat/blog/2013/04/07/will-the-internet-of-things-iot-turn-your-smart-phone-into-the-center-of-the-universe

Soluções RSSF

• Necessidade de monitorar e controlar não é nova;

• Utilização de tecnologias não adequadas;

• Soluções com espectro licenciado;

• Soluções com espectro não licenciados;

• Soluções por nicho.

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Nichos de Aplicação

• Automação residencial;

• Redes industriais;

• Smart Grid;

• Redes agro-industriais;

• Eficiência energética;

• Redes para monitorar o corpo humano.

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Soluções Sem Fio

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RFID

• Pode ser entendida como um tipo de RSSF;

• Substituição do código de barra;

• Passivo;

• Ativo;

• Problemas para atender grandes distâncias.

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WiFi

• Aplicação• Estruturação de Protocolo

– PHY:– MAC:– NET:

• Arquitetura Padrão• Operação de Rede

– Gerência– Comissionamento– Provisionamento

• Problemas

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ZigBee

• Aplicação: Low-power WSN, padronização de interoperabilidade

• Estruturação de Protocolo– PHY&MAC: 802.15.4, 2.4GHz– APP: ZigBee Lighting, ZigBee Smart Energy, ZigBee

Home Automation, entre outros...

• Arquitetura Padrão: Cluster-tree• Operação de Rede

– Gerência: Nenhuma– Comissionamento: Não definido no padrão– Provisionamento: Não definido no padrão

• Problemas– Frequência de operação– Operação da rede indefinida– Necessidade de customização (perda de

interoperabilidade)

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ZigBee

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RFID

• Aplicação: cadeia de suprimentos, identificação de ativos

• Estruturação de Protocolo– EPC Global– ISO (NFC)– RFID Ativo (proprietário)

• Arquitetura Padrão: Leitor + Tag, eventualmente com infraestrutura

• Operação de Rede– Gerência: Não se aplica– Comissionamento: Simples– Provisionamento: Não se aplica

• Problemas– Alcance restrito– Pouca capacidade de processamento

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Bluetooth

• Aplicação: Piconet, conectividade de dispositivos com altas taxas de dados

• Estruturação de Protocolo– PHY&MAC: 802.15.3, Frequency Hopping, 2,4GHz– NET: até 8 devices por Piconet

• Arquitetura Padrão: Master-Slave (até 8 slaves)• Operação de Rede

– Gerência: Nenhuma– Comissionamento: pareamento– Provisionamento: não previsto

• Problemas– Endereçamento restrito– Frequência em 2.4GHz– Baixo alcance

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Bluetooth

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WirelessHART

• Aplicação: Rede de Sensor Sem Fio Industrial

• Estruturação de Protocolo– PHY&MAC: 802.15.4 – NET:– APP: Comandos HART

• Arquitetura Padrão• Operação de Rede

– Gerência– Comissionamento– Provisionamento

• Problemas

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WirelessHART

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ISA100.11a

• Aplicação• Estruturação de Protocolo

– PHY:– MAC:– NET:

• Arquitetura Padrão• Operação de Rede

– Gerência– Comissionamento– Provisionamento

• Problemas

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ISA100.11a

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6LoWPAN

• Aplicação: IPV6 para tiny devices

• Estruturação de Protocolo– PHY&MAC: 802.15.4

– NET: Compressão de cabeçalhos IP

• Arquitetura Padrão

• Operação de Rede– Gerência

– Comissionamento

– Provisionamento

• Problemas

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6LoWPAN

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Camada Física

Camada de Enlace

Camada de Rede

Camada de Transporte

Camada de Aplicação

802.15.4

Protocolos de Aplicação

IPv6

6LoWPAN

UDP ICMP

GSM/GPRS

• Aplicação: comunicação celular para voz, adaptada para dados

• Estruturação de Protocolo– PHY&MAC: GSM Quadriband– NET: TCP/IP

• Arquitetura Padrão• Operação de Rede

– Gerência: Operadora– Comissionamento: SIM Card– Provisionamento: ERB celular instalada pela operadora

• Problemas– Preço– Infraestrutura ruim, com pouca qualidade de serviço– Foco em usuário de voz (corte de portadora de dados)

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3g e 4G

• Altas taxas;

• Necessidade da operadora;

• Problema de cobertura.

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3g

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GSM/GPRS

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Exemplo da Implementação da IoT

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Imagine uma situação

• Monitoração de uma sala com servidores

• Parâmetros monitorados:

– Temperatura

– Luminosidade

• Controle

– Ventilador

– Luz de emergência

Como montar uma RSSF?

• Abordagem bottom-up

• Especificação do sensor

• Especificação do gateway

– Protocolo de integração

• Infraestrutura de aplicação

– Onde será colocado o servidor

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1º Passo – Especificação da rede

• Decidir quais dados serão monitorados

• Decidir quais dispositivos serão controlados

• Análise de ambiente

• Software de supervisão

2° Passo – Criação da RSSF

• Levantamento de hardware

• Entendimento de protocolo

• Testes de conectividade

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Levantamento de Hardware

BASESENSOR

Arquitetura Radiuino

• Protocolo de requisição e resposta

• Base conectada a um PC via cabo USB

• PC faz requisição via software

• Sensor envia dados requisitados pelo PC

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Request

AnswerSensor Base Computador

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Testes de Conectividade

• Software de campo para verificação de funcionamento da rede

3º Passo – Integração com gateway

• Integrar hardware da base no gateway

• Escolha de protocolo

• Comissionamento

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Integração com Raspberry Pi

USB

BASE

Sobre o Raspberry Pi

• Projeto britânico do menor (e mais barato!) computador do mundo– Iniciado em 2006 em Cambridge

• Hardware poderoso– Entrada HDMI– Duas entradas USB– Entrada Ethernet– SD Card– Saída de audio– GPIOs– 512MB de RAM– Microcontrolador ARM11, com 800MHz

• Roda sistema operacional Linux• Suporta versão reduzida do ScadaBR

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ScadaBR no Gateway

• Supervisory Control And Data Acquisition

• Utilizado em centrais de controle

• Projeto brasileiro

– MCA Sistemas – Florianópolis-SC

• Contém o driver do Radiuino

• Configurado como um ScadaBR Slave

Radiuino + ScadaBR

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Radiuino + ScadaBR

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4º Passo – Configuração de Servidor

• Configuração de um servidor cloud

• Configuração de leitura de outro ScadaBR

• Front-end

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Servidor na Nuvem

• IaaS: Infrastructure as a Service– Contratação de um sevidor– Necessário instalar e manter SO, firewall, SGBD...– Ex: Planos de hospedagem de servidores

• PaaS: Platform as a Service– É oferecido um servidor de dados e um servidor de

aplicação– Ex.: Amazon Web Services, Google App Engine,

Microsoft Azure...

• SaaS: Software as a Service– Contrata-se um serviço, acessando-se apenas a

aplicação pronta– Ex.: Gmail, Salesforce, Dropbox...

Parametrização de Interface Gráfica

• O ScadaBR permite a customização do painel de interface gráfica

• Através dele é possível inserir:

– Botões

– Gráficos

– Imagens

– Animações

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Esquema Geral do Experimento