Download - 2014-III WTI-Internet Das Coisas-Branquinho
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