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INTERNET DAS COISAS

INTRODUÇÃO PRÁTICA

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PEDRO COELHO

Licenciado em Engenharia Eletrotécnica e de Computadores pelo Instituto Superior Técnico. Consultor e Gestor de Projetos de TI nas áreas da Web e da Internet. Com 25 anos de experiência, já esteve envolvido em grandes projetos principalmente em empresas de Telecomunicações e de Consultoria. Responsável pela implantação de Sistemas de TI (Billing, CRM, Provisioning, Plataformas de Serviços, etc.), redes de dados (TCP/IP), infraestruturas de serviço completo (ISP), serviços de Internet e aplicações complexas, e liderança dos departamentos de TI. Autor de vários livros sobre Sistemas de Informação, Internet, Web e Programação, todos editados pela FCA.

Pedro Coelho

O AUTOR

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ÍNDICE

Sobre o Livro XI

1. A Internet das Coisas 1

1.1. O que é a Internet das Coisas? 2

1.2. Introdução Histórica 8

1.3. Presente e Futuro 13

2. Internet das Coisas – Tecnologias Disponíveis 19

2.1. Arquitetura de Sistemas Internet das Coisas 20

2.2. Sistemas Remotos 24

2.3. Protocolos 25

2.4. Software/Sistemas Centrais e Cloud 29

2.5. Dados/Data Brokers 32

2.6. Machine Learning 33

3. Comunicações na Internet das Coisas 37

3.1. Conectividade 38

3.2. Comunicações Móveis Tradicionais 41

3.3. Tecnologias Rádio Internet das Coisas 45

3.4. Outras Tecnologias 48

3.5. Operadores Internet das Coisas 50

3.5.1. SIGFOX 51

3.5.2. Ingenu 51

3.6. IoT@Home 52

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Internet das Coisas – Introdução PráticaVIII

4. Casos de Uso 57

4.1. Domótica/Casas e Edifícios Inteligentes 58

4.1.1. Estação Meteorológica Doméstica 59

4.1.2. Videovigilância e Alarmística 60

4.1.3. Regar Plantas e Jardins 62

4.1.4. Controlo do Aquecimento Central 63

4.1.5. Controlo do Portão da Garagem 64

4.1.6. Controlo da Iluminação 66

4.1.7. Controlo dos Eletrodomésticos 67

4.1.8. Controlo de Acessos 68

4.2. Televisão Inteligente (Smart TV) 68

4.3. Cidades Inteligentes (Smart Cities) 70

4.4. Redes Inteligentes (Smart Grids) 72

4.5. Roupa Inteligente e Wearables 73

4.6. Veículos Inteligentes 74

4.7. Aviões Inteligentes e Drones 75

4.8. Medicina e Saúde 75

4.9. Fitness 77

4.10. Indústria Bélica 78

4.11. Indústria 78

4.12. Retalho e Logística 80

4.13. Agricultura e Floresta 81

4.14. Ambiente 82

4.15. Tracking/Localização 83

4.16. Internet of Everything 84

5. Plataforma Raspberry Pi 87

5.1. Introdução 88

5.2. Montagem 91

5.3. Configuração 93

5.4. Ambiente de Desenvolvimento 107

6. Programação IoT Java 117

6.1. Java e GPIO (General Purpose Input/Output) 118

6.2. Pi4J 131

6.2.1. Importação de Packages 132

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Índice IX

6.2.2. Inicialização 132

6.2.3. Numeração dos Pinos 132

6.2.4. Provisionamento dos Pinos 134

6.2.5. Controlo do Estado dos Pinos 135

6.2.6. Leitura do Estado dos Pinos 135

6.2.7. Esperar Alterações nos Pinos 136

6.2.8. Estado Final dos Pinos 136

6.2.9. Triggers 136

6.2.10. Comunicação de Dados em Série 137

6.2.11. Informação do Sistema 137

6.3. Ligação a Bases de Dados 138

6.4. Exemplo Prático – Termómetro 144

7. Machine to Machine 157

7.1. O Que é o Machine to Machine? 158

7.2. Protocolo Message Queuing Telemetry Transport (MQTT) 159

7.3. Exemplo Prático Raspberry Pi 172

8. Internet das Coisas e Big Data 179

8.1. Tecnologia Big Data 180

8.2. Big Data e Internet das Coisas 185

8.3. Exemplo Prático 187

9. Segurança IoT 211

9.1. Riscos 212

9.2. Tecnologias 214

9.3. Boas Práticas e Técnicas de Mitigação 220

9.3.1. Segurança por Desenho 220

9.3.2. Hardening de Todos os Componentes 221

9.3.3. Updates de Todos os Componentes 222

9.3.4. Inventário de Dispositivos na Rede 222

9.3.5. Mapear a Rede 224

9.3.6. Usar Device Authentication 224

9.3.7. Usar Segurança de Rede 224

9.3.8. Documentar Todos os Acessos Remotos 225

9.3.9. Controlar Todos os Acessos Remotos 225

9.3.10. Logs e Auditoria 225© F

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Internet das Coisas – Introdução PráticaX

9.3.11. Evitar Transmissão de Dados Sensíveis 225

9.3.12. Utilizar Encriptação 226

9.3.13. Isolar Dados dos Sistemas 226

9.3.14. Metodologia Open Web Application Security Project 226

9.3.15. Testes de Intrusão Antes da Entrada em Produção 227

9.3.16. Separação de Redes – Não Expor SCADA ou Atuadores Críticos na Internet 228

9.3.17. Atenção às Redes de Gestão 228

9.3.18. Análise Heurística 229

9.3.19. Auditorias Regulares 229

10. Exemplos Práticos 231

10.1. Sensor de Luz e Despertador 232

10.2. Sensor de Movimento 238

10.3. Abertura de Portão de Garagem 250

10.4. Sensor de Humidade – Ligar Rega 266

10.5. Dos Protótipos aos Produtos 278

Glossário de Termos 281

Índice Remissivo 287

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Este livro pretende cobrir um tema com a abrangência da Internet das Coisas – IoT (que é um conceito vasto e para muitas pessoas difuso) com uma perspetiva introdutória e muito prática. Nos capítulos que se seguem, o leitor verá enquadrados e discutidos os vários aspetos tecnológicos e funcionais relevantes no que diz respeito à IoT, incluindo os casos de uso da tecnologia em várias vertentes de utilização pessoal e empresarial.

Todavia, inclui-se também um componente prático, explican-do-se, por meio de exemplos, como pode ser utilizada tecno- logia de hardware e software, facilmente disponível e ao al-cance de todos, para que o leitor possa implementar, com uma certa simplicidade, pequenos projetos IoT.

O estilo seguido é de introdução prática ao tema, procuran-do-se abordar os pontos passo a passo e explicando todos os procedimentos necessários para conseguir pôr a funcionar um demonstrador que, na verdade, tem software e hardware.

No estado atual da tecnologia, e com os pacotes de software e hardware que existem disponíveis no mercado, a verdade é que qualquer pessoa com alguns conhecimentos de siste-mas e programação pode fazer protótipos e pôr “coisas” a funcionar na IoT. No entanto, são feitas as devidas ressalvas para os pontos que devem ser tidos em conta em projetos e utilizações profissionais, nomeadamente sendo fundamental ter em conta os aspetos da segurança e da fiabilidade dos sistemas.

SOBRE O LIVRO

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Internet das Coisas – Introdução PráticaXII

Para muitos leitores, com mais ou menos experiência de de-senvolvimento, Internet e sistemas, a incorporação de hard-ware nos seus projetos e o controlo da comunicação dessas peças remotas por parte de pequenos programas que se podem produzir com facilidade abre todo um mundo novo de oportunidades e de desafios.

Apesar de todos os riscos, incertezas, e indefinições, a IoT é sobretudo uma grande oportunidade. É uma das tecnologias que mais irá crescer nas próximas décadas. E o leitor faz bem em se interessar por ela.

Complementos ao livro em www.fca.ptA fim de facilitar a aprendizagem através da prática, o leitor encontra no site da editora o código fonte dos exemplos e algumas figuras a cores.

INTRODUÇÃO Desde há bastantes anos que se imaginam e implementam soluções baseadas no conceito de ligação de dispositivos à Internet, muito para além dos tradicionais computadores, que foram os primeiros meios de acesso. O que há alguns anos era um conceito é hoje uma realidade em concretização, com muitos meios, pessoas e ideias envolvidos: a IoT (Internet of Things – Internet das Coisas) chegou e vai tomar conta do nosso dia a dia.

A INTERNET DAS COISAS1

Internet das Coisas – Introdução Prática2

1.1. O QUE É A INTERNET DAS COISAS?De tempos a tempos aparece na Internet uma nova buzzword, um termo que toda a gente ouve, embora nem sempre compreenda, e que aparece com frequência associado a grandes inovações ou a formas disruptivas de encarar as tecnologias. A IoT (Internet of Things ou Internet das Coisas, em português) poderia qualificar-se como um desses conceitos, não fosse o caso de significar uma evolução muito profunda da sociedade e, segundo muitos analistas, mesmo disruptiva.

Há definições diversas para a IoT, mas que correspondem ao mesmo conceito. Pode-se definir a IoT como um sistema que interliga dispositivos de computação, sejam eles com-putadores, máquinas, pessoas, animais ou objetos, e no âmbito do qual estes podem comunicar e transferir dados sem qualquer intervenção humana. Ou seja: pressupõe a ligação à Internet de todo o tipo de objetos, que comunicam com serviços e aplicações remotas.

A Internet foi concebida inicialmente como um meio de interligar computadores, através da transmissão de mensagens entre eles. No início do século XXI, a Internet evoluiu da World Wide Web para utilizações cada vez mais diversificadas, como o transporte de voz e vídeo, a colaboração em rede e a interligação de dispositivos diversos (não só compu-tadores) com a rede.

A utilização cada vez maior da Internet, e para fins cada vez mais diversificados, levou a um crescimento muito grande dos dispositivos a ela conectados. Numa fase inicial, o crescimento das entidades conectadas fazia-se pelo aumento da utilização (mais huma-nos conectados resulta em mais computadores, logo em mais servidores).

A revolução dos dispositivos móveis (smartphones e tablets) veio trazer um crescimento adicional do número de dispositivos, nomeadamente porque possibilitou crescimento também entre o público que já usava a Internet nos computadores, ligando novos dis-positivos.

E agora, temos a revolução da IoT, a ligação de todo o tipo de objetos na rede, e o con-sequente aumento exponencial dos objetos conectados (Figura 1.1).

Há bastantes anos que se antevê a possibilidade de os dispositivos (e não só os compu-tadores) se poderem ligar à Internet e comunicarem em rede. Nos anos 90, a tecnologia Java surgiu como promessa de um mundo de dispositivos diversos ligados em rede, a correr versões próprias daquela tecnologia e a comunicar com servidores ou com pes-soas.

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A Internet das Coisas 3

Figura 1.1 Evolução dos dispositivos conectados à Internet

Os operadores de telecomunicações investiram há alguns anos em tecnologias que de-signaram de M2M (machine to machine), destinadas a potenciar as suas redes no su-porte das comunicações entre máquinas, com aplicações que se anteviam promissoras. Imaginaram-se cenários de automóveis e frigoríficos ligados a aplicações centrais, com as quais interagem, e que permitem a execução de programas automáticos, a monitori-zação de condições de funcionamento, o envio de notificações aos seus utilizadores, etc.

Como tantas vezes acontece, a história seguiu um caminho diferente do que tinha sido previsto, embora na mesma direção. Mais do que se falar em comunicação entre máqui-nas, começou a falar-se de um ecossistema mais amplo, que abrange máquinas, pes-soas, sistemas e dados unidos pelas redes de comunicação, e utilizou-se a designação IoT para denominar a realidade da miríade de dispositivos que hoje se ligam à Internet, com os objetivos mais diversos.

Em termos mais genéricos, pode-se designar a IoT como uma rede de objetos físicos, incluindo dispositivos eletrónicos, sensores, computadores, veículos, edifícios, entre mui-tos outros objetos, em que os objetos têm eletrónica embebida, software, sensores e co-nectividade de rede, possibilitando a troca de informações (nos dois sentidos) entre eles.

O tipo de dispositivos que se conectam à Internet tem sofrido constantes evoluções, em particular nos últimos anos. Dispositivos móveis de diversos tipos, leitores de media e caixas de streaming, relógios, pulseiras, eletrodomésticos, automóveis, roupas e sapatos inteligentes, dispositivos médicos e de fitness, dispositivos de localização, sensores de todos os tipos, atuadores, câmaras de vigilância, etc. (Figura 1.2).

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Internet das Coisas – Introdução Prática4

Figura 1.2 Diversidade de dispositivos conectados à Internet

A IoT pode ser aplicada com sucesso em quase todos os setores de atividade, alguns exemplos:

• Domótica – Casas inteligentes;

• Smart cities – Cidades inteligentes, incluindo controlo de acessos, tráfego, pessoas, infraestruturas;

• Smart grids – Leitura automática de contadores de eletricidade, água, gás; serviços diversos associados;

• Saúde – Monitorização e alarmes de dispositivos médicos aplicados em doentes;

• Fitness – Comunicação de gadgets de fitness diversos (relógios, pulseiras, medidores, etc.) com sistemas centrais;

• Retalho – A substituição dos códigos de barras por tags ativas ou passivas, um pro-cesso que já começou;

• Logística – A utilização de dispositivos de IoT para finalidades como localização, con-trolo de stocks, distribuição;

• Agricultura – Controlo de animais, controlo de colheitas, alarmística e monitorização diversa;

• Segurança – Vigilância, alarmística, deteção de eventos;

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A Internet das Coisas 5

• Localização – De crianças, idosos, animais;

• Farmacêutica – Controlo de produção, distribuição e logística;

• Centrais de energia – Monitorização e controlo de manutenção de equipamentos, deteção de falhas em tempo real;

• Aeronáutica – Monitorização e controlo de manutenção de equipamentos, deteção de falhas em tempo real;

• Wearables – Roupa, sapatos, óculos inteligentes.

Estes são apenas alguns exemplos. A IoT permite que os objetivos possam ser moni-torados e atuados remotamente a partir da rede, possibilitando uma integração plena entre os sistemas informáticos e o mundo físico. São potenciados pela IoT, temas como as smart grids (redes inteligentes de distribuição de energia elétrica, gás e água), casas inteligentes, smart cities (cidades inteligentes), ou controlo de tráfego, estacionamento ou redes de transporte, entre muitos outros. A imaginação é hoje o limite para aquilo que se possa conectar à Internet, havendo aplicações e dispositivos de baixo custo para tudo o que nos lembremos de fazer, potenciando todo o género de ações, comunicação, vigi-lância, transação e atuação remota.

Esta realidade foi grandemente auxiliada pelo aparecimento de dispositivos de computa-ção miniaturizados de baixo custo, que possibilitam que qualquer um possa construir e utilizar uma aplicação embebida, que funcione sobre a Internet (Figura 1.3).

Figura 1.3 Raspberry Pi – computador miniaturizado Linux de baixo custo

Estes dispositivos podem ser utilizados para implementar sensores, executar programas e comunicar com sistemas centrais, com outros dispositivos e com pessoas. São tão pequenos que podem ser inseridos em equipamentos e caixas, criando os chamados sistemas embebidos, que permitem dotar um objeto de capacidade de processamento

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Internet das Coisas – Introdução Prática6

(Figura 1.4). Por exemplo, uma máquina de lavar roupa com um equipamento deste tipo incluído pode ligar-se à Internet, comunicar com um sistema central, informar que a tem-peratura ou a humidade estão demasiado elevadas, informar que já terminou de lavar ou ser instruída para começar a lavar.

Figura 1.4 Exemplo de um sistema embebido

(Fonte: http://www.techgadgetspace.com/)

De realçar que, embora a IoT se baseie muito em tecnologias de sensorização e em componentes embebidos, a realidade da IoT é muito mais complexa do que isso. Há que ter em conta as tecnologias de comunicação a utilizar, a pesquisa e identificação dos objetos, a segurança dos dados, o processamento dos dados, entre outras preocu-pações. Quando se fala de IoT, fala-se de todo um ecossistema tecnológico, e não de uma simples tecnologia. Na verdade, tipicamente temos de considerar um conjunto de componentes num sistema baseado em IoT (Figura 1.5):

• Sensores e atuadores;

• Sistemas embebidos;

• Gateway IoT (interface entre os sistemas remotos e os componentes aplicacionais);

• Comunicações (entre os sistemas remotos e o Gateway);

• Data warehouse (recolha dos dados);

• Plataforma de análise dos dados;

• Servidor aplicacional (aplicações);

• Servidor web (interface com os utilizadores humanos e exposição de serviços para outras aplicações). ©

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INTRODUÇÃO Neste capítulo vamos seguir alguns exemplos práticos de protótipos que podemos montar em casa, com recurso a alguns componentes de baixo custo. O objetivo é mostrar como, na prática, se utilizam algumas das funções de sensorização e atuação referidas ao longo dos capítulos anteriores, tecendo-se no final algumas considerações sobre como passar da prototipagem à prática, e à construção de sistemas IoT (Internet of Things – Internet das Coisas) reais. Para efeitos de abrangência das demonstrações, serão utilizadas diferentes linguagens e sensores.

EXEMPLOS PRÁTICOS10

Internet das Coisas – Introdução Prática232

10.1. SENSOR DE LUZ E DESPERTADORComeçamos com um dos exemplos mais simples que podemos implementar com re-curso ao Raspberry Pi: um sensor de luz, que pode funcionar como despertador. O ob-jetivo é simples: detetar o nível de iluminação ambiente e, caso esta esteja acima de um determinado limite, tocar um alarme de aviso.

Para o fazer precisamos de um conjunto de componentes, além do nosso Raspberry Pi com o T-Cobbler:

• Duas resistências de 1 kΩ;

• Um condensador de 330 nF;

• Uma fotorresistência;

• Um buzzer (campainha) TMB12A05;

• Fios de ligação.

A fotorresistência é um componente que tem a caraterística de a sua resistência elétrica variar linearmente em função da luz que sobre ele incide. Trata-se de um componente de elevada sensibilidade e de baixo custo, que tem como única desvantagem o facto de apresentar alguma memória (ou seja, a sua leitura pode depender de exposições ante-riores à luz).

O buzzer utilizado no exemplo é um componente típico para emissão de som, sendo de utilização corrente em sistemas com plataformas de prototipagem. A Figura 10.1 mostra o equipamento de que necessitamos.

Figura 10.1 Componentes necessários para o sensor de luz

Para implementar as funcionalidades que pretendemos, vamos basear-nos numa con-figuração similar à que utilizámos por ocasião do sensor de temperatura, recorrendo à ©

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Exemplos Práticos 233

medição do tempo de carga do condensador e à variação deste em função da resistên-cia que a fotorresistência apresentar (Figura 10.2).

Figura 10.2 Esquema do sensor de luz

(Fonte: Diagrama Fritzing – http://www.fritzing.com)

A Figura 10.3 mostra a montagem do nosso sistema na placa de prototipagem. A fotorre-sistência liga-se aos pinos 12 e 16 através das resistências, o condensador liga-se entre o terminal da fotorresistência e a massa (Graduated Neutral Density – GND), e o buzzer liga-se entre o pino 18 e a massa.

Recorda-se que o T-Cobbler mostra a numeração dos pinos em formato BCM; como tal, os pinos a que vamos ligar são os 18, 23 e 24.

Figura 10.3 Montagem do sensor de luz

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Internet das Coisas – Introdução Prática234

O programa Java que vamos utilizar para controlar esta montagem é uma versão similar à que utilizámos na medição de temperatura, com o acrescento de código para controlar o buzzer, e alterando as fórmulas para transformar a resistência num indicador de luz.

package testes;

import com.pi4j.io.gpio.*;

public class TesteBuzzer {

final static GpioController gpio = GpioFactory.getInstance();

public static void descarregar() throws InterruptedException

{

GpioPinDigitalInput inputPIN =

gpio provisionDigitalInputPin(RaspiPin.GPIO_01);

GpioPinDigitalOutput outputPIN =

gpio.provisionDigitalOutputPin(RaspiPin.GPIO_04,

“OutputPIN”,PinState.LOW);

outputPIN.low();

Thread.sleep(10); //10 miliseconds

gpio.shutdown();

gpio.unprovisionPin(inputPIN);

gpio.unprovisionPin(outputPIN);

}

public static double tempo_carregamento()

{

GpioPinDigitalInput inputPIN =

gpio.provisionDigitalInputPin(RaspiPin.GPIO_04);

GpioPinDigitalOutput outputPIN =

gpio.provisionDigitalOutputPin(RaspiPin.GPIO_01,

“OutputPIN”,PinState.LOW);

outputPIN.high();

long t1=System.nanoTime();

while (!inputPIN.isHigh())

{}

long t2=System.nanoTime();

gpio.shutdown();

gpio.unprovisionPin(inputPIN);

gpio.unprovisionPin(outputPIN);

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A nova coleção sobre os grandes temas da Ciência dos Dados: Data Science, Big Data, Analytics e Internet das Coisas. Com uma abordagem muito prática e demonstração de

exemplos e projetos, estes são os livros essenciais aos profissionais do futuro!

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