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Protocolos paraInternet das Coisas
João Bosco Teixeira [email protected]
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Roteiro
Introdução
Arquitetura para IoT
Protocolo IP vs IoT
Padrões: 6loWPAN e IEEE 802.15.4
Protocolos Infra vs Aplicação
Wired vs Wireless
Protocolos de Aplicação
Protocolos de Rede
Questões de Segurança
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Introdução
Um Protocolo é um conjunto de regras que organizam a comunicação;
O sucesso de um produto de IoT depende da adequada escolha dos protocolos e tecnologias usados no projeto;
Muito protocolos de Internet tem sido usado em IoT, alguns na integra e outros com modifcações.
Dependendo da aplicação IoT o protocolo tem uma série de restrições para ser executado. Energia e Processamento são as principais.
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Protocolos
Conceito
Conjunto de Regras que regulamentam a comunicação entre as partes
Camadas
Protocolos da rede dispositivos
Protocolos de Aplicação
Restrições para uso em Iot
Consumo de Energia
Uso de Banda
Processamento
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Arquitetura para IoT
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Protocolos: Redes de Sensores e Atuadores
Sentido da Comunicação
Dispositivo → Gateway (Destino Nuvem?)
(Origem Nuvem?) Gateway → Dispositivo
Dispositivo → Dispositivo
Fonte:https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/oct/comparing-low-power-wireless-technologies
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O Protocolo Padrão da Internet (IP) pode ser aplicado em IoT?
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IP e Padrões para IoT
IPv4 “Num Guenta” :(
IPv6 “Guentar, guenta!” Mas e o hardware?
Headers Grandes Exigem Grandes quantidades de energia para transferir a informação.
Exige certa capacidade de Processamento
“Maus” para Dispositivos:
Contrained Devices
Alimentados por bateria
Pouco poder de processamento
Solução: 6loWPAN
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6loWPAN
IPv6 over Low power Wireless Personal Area Network
Desenvolvido pelo IETF (aquele das RFCs!) entre 2005 e 2007.
Estabelecido na RFC4944
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6loWPAN
Cria uma adaptação (compressão) para permitir o IPV6 executar em cima de uma especifcação de enlance, para Constrained Devices conhecida como 802.15.4.
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6loWPAN
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6loWPAN para IP/IPv6
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Compressão 6loWPAN
https://training.ti.com/6lowpan-based-wireless-network-protocols-6lowpan
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IEEE 802.15.4
Padrão estabelecido pelo IEEE para uso em redes sem fo pessoais com dispositivo de baixa potencia
Também conhecido como LR-WPAN (low rate wireless personal area network)
Padrões de Rede do IEEE
EEE 802.3 - Ethernet;
IEEE 802.11- Redes locais sem fos (WLAN);
IEEE 802.15- Redes de área pessoal sem fos (WPAN).
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Padrões de Rede do IEEE
https://www.embarcados.com.br/padrao-ieee-802-15-4/
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IEEE 802.15.4
Essa norma estabelece as especifcações de comunicação da camada física (PHY) e da camada de acesso ao meio (MAC ou Media Access Control) para redes em fo que operam com baixas taxas de transmissão de dados;
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IEEE 802.15.4Camada Física - PHY
Transmissão e recepção de dados digitais (PPDU);
Prepara o de/para a camada MAC;
Seleção o canal a ser utilizado;
Possibilidade de endereçamento automático dos dispositivos;
Pode Ligar e desligar o transceptor de rádio para economizar energia
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IEEE 802.15.4PHY - Frequencias
Usa 3 bandas de Frequência não licenciadas
Existência de 3 bandas de frequências que estão embutidas em 27 canais;
Bandas ISM (Industrial Scientifc Medical) – Uso Livre
968 MHz (Europa),
915MHz (Estados Unidos/Américas)
2,4GHz (usualmente utilizada no Brasil).
Distribuição dos 27 Canais:
1 canal para a banda de frequência da Europa;
10 canais para a banda de frequência dos Estados Unidos/Américas;
16 canais para a banda de frequência da maior parte do mundo, incluindo Brasil.
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IEEE 802.15.4PHY – Distribuições dos Canais
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IEEE 802.15.4Camada MAC
Controla o Acesso a Camada Física
CSMA-CA
Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance
Escuta o canal antes de Enviar
Gerar/sincronizar beacons.
Os beacons podem ser defnidos como pacotes de controle que delimitam quadros utilizados pelo coordenador para sincronizar com o demais dispositivos.
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IEE 802.15.4Topologias
Dois tipo de Dispositivo
FFD (Full Feature Device) e
RFD (Reduce Feature Device);
RFDs não tem capacidade (Hardware) para Coordenar
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Protocolos de Infra*
Usados na comunicação c/ sensores e atuadores
Protocolos para transmissão de dados entre nós
Protocolos de Infra *talvez essa não seja uma boa nomenclatura
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Protocolos de InfraWired vs Wireless
Wired:
Ethernet*
CANBUS
RS485
I2C, SPI
UART
USB
Wireless
RFID/NFC
Bluetooth
Zigbee
WiFi
IrDa
“Nem só de Wireless vive o IOT”
Protocolos Wired estão fora do nosso escopo
Vamos ver os wireless
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Protocolos de Infra
Topologias de Rede
(a) Broadcast: Uma mensagem é enviada de um transmissor para todos os receptores no alcance. Não existe reconhecimento na recepção. A comunicação é unidirecional.
(b) Peer-to-peer: Dois transceptores estabelecem uma comunicação bidirecional. O reconhecimento de recepção e dados podem ser implementados em duas direções.
(c) Star: Um transceptor central se comunica com diversos transceptores periféricos através de um canal bidirecional. O tranceptores periféricos não se comunicam entre si.
(d) Scanning: Um dispositivo central, trabalhando em modo receptor, aguarda o sinal de algum transmissor, a comunicação é unidirecional.
(e) Mesh: Uma mensagem é transmitida de um nó a outro na rede, saltando através de outros nós intermediários.
Fonte:https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/oct/comparing-low-power-wireless-technologies
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Protocolos de Infra
Topologias de Rede
Fonte:https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/oct/comparing-low-power-wireless-technologies
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Protocolos de Infra
Topologia vs Protocolos
B (Bluetooth low energy), A (ANT), A+ (ANT+), Zi (ZigBee), RF (RF4CE), Wi (Wi-Fi), Ni (Nike+), Ir (IrDA), NF (NFC)
1) Continuous receive mode must be activated for nodes listening for broadcast signals.
2) All network traffic stops and power consumption is high.
Fonte:https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/oct/comparing-low-power-wireless-technologies
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Protocolos de InfraWireless
Bluetooth (100m)
ANT/ANT+ (30m)
ZigBee (100m)
RF4CE
Wi-Fi
IrDA (10cm)
RFID/NFC(10cm)
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Protocolos: Bluetooth
Bluetooth é uma especifcação para transferência de dados e voz em curta distancia;
Criado em 1994 pela Ericson em mantido hoje pela BSIG (Bluetooth Special Interest Group);
Ericson, IBM, Intel, Nokia, Toshiba
Pode trabalhar Ponto a Ponto ou Ponto a Multiponto ;
2.4 GHz
O Nome vem de um Rei Viking do seculo X chamado Harald Blatand (A.K.A., Bluetooth)
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Protocolos: Bluetooh
Especifcação Inicial
Bolha de 10 metros
Até 1Mbps
Até 8 dispostivos em uma Piconet
Máximo de 10 Piconets em uma Scatternet
Autenticação de Chave publica 128 bits
cifragem em 64 bits
Frequency Hopping
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Protocolos: BluetoothFrequency Hopping
79 frequencias em 2.4GHz
1600 Saltos por segundo
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Protocolos BluetoothArranjos de Rede: Piconet
Master:
Sincroniza os nós para o frequency Hopping
Todos os dispositivos em uma piconet mudam de frequência ao mesmo tempo
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Protocolos: BluetoothArranjos de Rede: Piconet
M = Master
S = Slave
P = Parked
Está inativo, mas na piconet
SB = Stand By
Não está na piconet
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Protocolos BluetoothEstados do Dispositivo
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Protocolos BluetoothEstados do Dispositivo
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Protocolos BluetoothEstados do Dispositivo
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Protocolos: BluetoohCorreção de Erros e Segurança
Correção de Erros
Forward Error Correction (FEC)
Automatic Repeat Request (ARQ)
Segurança
pseudo-random frequency band hops
Autenticação
Criptografa
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Protocolos: BluetoohModelos de Uso
Voice Link:
Síncrono e Orientado a conexão
Ponto a Ponto, 64kbps, Duplex
Data Link
Assíncrono e Não orientado a conexão
Ponto para Multiponto, 433.9 kbit/s Simétrico e 732.2/57.6 kbps Assimétrico;
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Protocolos: BluetoothCabeçalhos
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Protocolos: BluetoothBluetooth 4.0
Bluetooth Smart ou BLE (Bluetooth Low Energy)
Projetado para ubiquidade e parvasividade (IoT)
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: BluetoothiBeacons
Beacons (Relembrando): Os beacons podem ser defnidos como pacotes de controle que delimitam quadros utilizados pelo coordenador para sincronizar com o demais dispositivos.
iBeacons (Apple,2013) Utilizam os beacons para gerar notifcações para smartphones.
https://www.youtube.com/watch?v=lwnmx-5mBLM
https://www.youtube.com/watch?v=ROx6WBxIgoM
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: BluetoothComparativo
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: BluetoothComparativo
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: BluetoothReferencias
1. The ofcial Bluetooth site, http:/www.bluetooth.com
2. http://www.intel.com/mobile/bluetooth
3. Bluetooth 5: a concrete step forward towards
the IoT, https://arxiv.org/pdf/1711.00257.pdf
4. https://www.slideshare.net/NaveenKumar11/wif-technology-30347173?next_slideshow=1
https://www.slideshare.net/deepak0014/bluetooth-technology-54674468
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
LAB 1: Bluetooth
>> www.boscojr.com/iot/labbluetooth.pdf
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: ZigBee
Fonte: https://www.futurelearn.com/courses/data-explosion/0/steps/29736
Conjunto de especifcações para a comunicação sem-fo entre dispositivos eletrônicos com enfase em:
baixa potência de operação;
baixa taxa de transmissão de dados e
baixo custo de implantação.
Implementa camadas acima do IEEE 802.15.4
Objetivo é conectar pequenos dispositivos de coleta de dados (sensores) e controle (atuadores) usando sinais de radiofrequência de livre uso.
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: ZigBee
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Protocolos: ZigBee
100 metros em campo aberto
Pode alcançar distâncias maiores usando o modo malha (mesh)
Criptografa simétrica de 128bits
250kbits/s
Topologia: Ponto-a-Ponto, Estrela e Malha
Um nó pode ser: Coordenador, Roteador, Fim
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Protocolos: ZigBee
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Protocolos: RFID
Schumacher na sala de telemetria da Ferrari
Internet das coisas pressupõe objetos conectados
Objetos conectados precisam usar endereços ou identifcadores.
O Auto ID Center responsável por evoluir o RFID de 1999 a 2003 foi o primeiro a pensar em identifcar cada objeto no mundo.
RFID é a maneira mais barata de conectar objetos
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDHistórico
Telemetria na agricultura
Radares x RFID (amigo ou inimigo?)
IFF: Identify Friend or Foe (ingleses)
Sistema transportado nas aeronaves inglesas, começavam a transmitir informações assim que recebessem o sinal de radar.
1974: Patentes
Mario W Cardullo em 1974 Patente por uma tag ativa com memória regravável
Charles Walton: Transponder passivo usado para destravar uma porta
1990: IBM RFID em UHF (6 metros)
Testes com o wallmart – não chegou a vender
Vendeu a patente
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDHistórico
Telemetria na agricultura
1999: Procter & Gamble, Gillette e MIT
Fundaram o Auto ID Center
EPC: Eletronic Product Code
Identifcação para cada objeto físico no mundo
Conseguiu melhorar a visibilidade
2004: EPCGlobal
Padronizar e incentivar o uso da tecnologia
Nokia, Philips e Sony fundam o Near Field Communication (NFC) Forum
2006: Nokia 6131
Primeiro telefone com NFC
2014: Apple pay:
sistema de pagamentos da apple com NFC
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Protocolos: RFIDEPC – Eletronic Product Code
Código eletrônico de produto
Projetado para fornecer um código único para cada objeto no planeta
Sua estrutura é defnida no EPCglobal Tag Data Standard (v1.9 – 07/2014)
Representação canônica
URI (pure-identity URI) + SERIAL
Utilizado nas trocas de informação entre sistemas de informação empresariais.
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Protocolos: RFIDEPC – Eletronic Product Code
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Protocolos: RFIDFuncionamento
Elemento leitor envia uma onda eletromagnética
Uma antena no transponder (tag) percebe a onda e a transforma em energia que ativará por alguns instantes o circuito eletrônico embarcado na TAG.
A tag envia o seu código.
Tags podem receber códigos para armazenar.
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Protocolos: RFIDFuncionamento
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Protocolos: RFIDArquitetura de Aplicações
Uma aplicação típica de RFID possui:
Tag
Antena
Leitor
Aplicação
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDArquitetura de Aplicações
Smart Border Alliance - RFID Feasibility Study Final Reporthttps://www.dhs.gov/xlibrary/assets/foia/US-VISIT_RFIDattachD.pdf
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDTags
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDTags: Segurança
Riscos e Ameaças
Violação de integridade física
A TAG pode ser trocada de lugar
Cópia da Etiqueta
Monitoramento da Etiqueta
Soluções
Criptografa evita acesso aos dados roubados.
Códigos secundários.
Uso de dispositivos metálicos para evitar a leitura quando esta não estiver em uso.
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDTipos de Tags
Ativo (Mais de 100m)
Possui bateria própriaTransponder: Ativa quando recebe o sinalBeacon (farol): Envia sinal de tempos em tempos
Passivo (Até 10m)Não tem bateria. Usa da energia da onda eletromagnética enviada pelo leitor
Passivo assistido por bateria (até 100m)Também chamado de semi-passivo. É ativado pela onda do leitor mas possui bateria própria para execução de operações mais complexas
http://www.impinj.com/resources/about-rfid/the-different-types-of-rfid-systems/
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDTags: Aspectos Operacionais
Presença de Metal: Tags simples tem o seu alcance reduzido quando próxima a metais. Existem tags específcas para metais
Durabilidade: Alguns objetos podem ter o regime de uso muito rigoroso. A tag acoplada deve ser compatível com esse regime. Ex.: Bens patrimoniais x Produtos em uma loja
Forma de Fixação: adesivo x arrebites
Área imprimível: Possibilidade de personalizar a tag
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDAntenas: Características
Tipo (Padrão de Radiação):
Painel, Omni direcional, Portal de Antenas
Frequência
125 Khz, 13.56 MHZ, 433Mhz, 900-950Mhz
Potencia em Dbi: determina o alcance
Polarização: Vertical, Horizontal, Circular
Impedância
Conectorização
Indoor x Outdoor
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDLeitores + Antenas
Portal
Leitor de Mão
Kits de Desenvolvimento
Fonte:http://www.impinj.com/resources/about-rfid/
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDAplicações
Cadeia de Suprimentos
Segurança – Controle de Acesso
Identifcação Animal
Veículos
Esporte (Telemetria)
Bagagens
Conforto e Pagamento (NFC)
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: RFIDAplicações telemetria
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC
Near Field Communication
Permite a troca de informações entre dispositivos próximos;
NFC fórum desde 2004: Promove o uso
Empresas participantes: Qualcomm, LG, Nokia, Huawei, HTC, Motorola, NEC, RIM, Samsung, Sony Ericsson, Toshiba, AT&T, Sprint, Google, Microsoft, PayPal, Visa, Mastercard, American Express e Intel
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC
Frequência 13.56 MHz
Taxa de Transferência 424 kbits/s
Distância 10cm
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Dispositivo NFCModos de Operação
Card Emulation ModeNeste modo o dispositivo atua com uma tag, permitindo usuários realizarem operações diversas como controle de acesso ou pagamentos
Reader/Writer modePermite o dispositivo trabalhar como um leitor de RFID convencional, podendo ler e escrever conteúdos em tags compatíveis
Peer-to-Peer modePermite a troca de informações entre dois dispositivo NFC compatíveis
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos e Padrões
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC - Usos
Comercio Eletrônico
Pagamentos ou ticket eletrônico
Social
Transferência de contatos
Controle de Acesso
Automação
Jogos
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC: Exemplo de USO
Carro Escritório QuartoCasa
Carro:- Ligar o bluetooth- Desligar WIFI- Ligar o 3G- Ativa o GPS- Ligar o Waze
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC: Exemplo de USO
Carro Escritório QuartoCasa
Escritório:- Desligar o bluetooth- Ligar o WIFI- Desativar o 3G- Desligar o GPS- Fazer check no foursquare
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC: Exemplo de USO
Carro Escritório QuartoCasa
Casa:- Desligar o bluetooth- Ligar o WIFI- Conectar a Rede XYZ- Desativar o 3G- Desligar o GPS
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC: Exemplo de USO
Carro Escritório QuartoCasa
Quarto:- Por no modo silencioso- Abrir aplicação despertador
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
NFC vs Bluetooth
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos RFIDTecnologias x Padrões
Tipos de PadrõesTecnológicosDadosConformidadeAplicação
Curta distânciaLF: 125khzHF: 13,56 Mhz
Longa distancia
UHF: 900-950MhzFonte:http://www.impinj.com/resources/about-rfid/
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos RFID Frequencias x Aplicações
https://www.dhs.gov/xlibrary/assets/foia/US-VISIT_RFIDattachD.pdf
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Mercado: Produtos
Sigfox
Vivo (450 MHz)
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: Aplicação
Sentido da Comunicação
Gateway → Nuvem
Nuvem → Gateway
Fonte:https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/oct/comparing-low-power-wireless-technologies
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
Protocolos: Aplicação
Protocolos
HTTP
MQTT
Formatos de Dados
JSON
XML
Fonte:https://www.digikey.com/en/articles/techzone/2017/oct/comparing-low-power-wireless-technologies
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http://www.boscojr.com/iot/protocolosiot.pdf
OBRIGADO!
> www.boscojr.com/iot/intro.pdf