INDÚSTRIA 4.0 E INTERNET INDUSTRIAL DAS COISAS – (IIOT): SISTEMA IOT PARA MONITORAMENTO E CONTROLE DE SENSORES E ATUADORES MAPEADOS

REGISTRO DOI: 10.5281/zenodo.7922537

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Felipe Menezes de Castro¹
Maria Dos Anjos Fernades Pacheco²
Érika Cristina Nogueira Marques Pinheiro³

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RESUMO

A Quarta Revolução Industrial, também conhecida como Indústria 4.0, está cada vez mais mesclando os mundos físico e digital por meio da implementação de sistemas ciberfísicos nas plantas de produção industrial. O desenvolvimento de tais sistemas utiliza a Internet das Coisas para possibilitar a troca de informações entre dispositivos e com o ambiente ao seu redor, formando assim um ambiente industrial inteligente. Dentre os vários conceitos que surgiram ou estão sendo modernizados devido à quarta revolução industrial, podemos destacar a aplicação de IoT como ferramenta de solução em massa e sua extensão para aplicações industriais, esta ferramenta de baixo custo é relevante para os principais players do mercado, automação, podemos prever quando uma máquina falhará com base em sinais anteriores da máquina. Considerando a relevância dessas aplicações de sensores e atuadores via IoT no contexto da Indústria 4.0, este trabalho realizará pesquisas na área de IoT e suas aplicações, o que levará à implementação de um sistema IoT para monitorar e controlar sensores e atuadores. A arquitetura de baixo custo foi mapeada para coletar dados relacionados ao funcionamento de equipamentos industriais. Serão desenvolvidos sensores para coletar dados e controlá-los com um ciclo de medição configurável, maximizando sua vida útil mantendo a qualidade dos dados coletados.

Palavras-chave: Aplicações, Indústria 4.0, Internet das coisas – IoT, Dispositivos inteligentes.

ABSTRACT

The Fourth Industrial Revolution, also known as Industry 4.0, is increasingly merging the physical and digital worlds through the implementation of cyber-physical systems in industrial production plants. The development of such systems uses the Internet of Things to enable the exchange of information between devices and the environment around them, thus forming an intelligent industrial environment. Among the various concepts that have emerged or are being modernized due to the fourth industrial revolution, we can highlight the application of IoT as a mass solution tool and its extension to industrial applications, this low-cost tool is relevant to the main players in the market, automation , we can predict when a machine will fail based on past signals from the machine.Considering the relevance of these sensors and actuators applications via IoT in the context of Industry 4.0, this work will carry out research in the field of IoT and its applications, which will lead to the implementation of an IoT system to monitor and control sensors and actuators. The low-cost architecture was mapped to collect data related to the operation of industrial equipment. Sensors will be developed to collect data and control them with a configurable measurement cycle, maximizing their useful life while maintaining the quality of the collected data.

Keywords: Applications, Industry 4.0, Internet of Things – IoT, Smart Devices.

1 INTRODUÇÃO

A nova era da industrialização é caracterizada pela chamada “fábrica inteligente”, um ambiente fabril autogerenciável e totalmente conectado à cadeia de suprimentos. A Indústria 4.0 é fundamental para atender consumidores exigentes, únicos e principalmente ligados às novas tecnologias que esta era tecnológica pode oferecer, que buscam produtos cada vez mais individualizados, diferenciados e com custos altamente competitivos.

O foco na qualidade sempre esteve presente e, de alguma forma, é considerado primordial. As pessoas de hoje estão cada vez mais exigindo qualidade e capacidade técnica de produtos e serviços. Portanto, a segurança e sobrevivência das empresas torna-se uma tarefa complexa. Entendimento das necessidades dos clientes, integração e engajamento dos colaboradores, competitividade e surgimento de novas empresas são alguns dos aspectos relevantes da nova era da revolução tecnológica.

Na busca pela Indústria 4.0, um dos principais pilares é o desenvolvimento e implantação da fábrica digital da empresa. Antes de entrar no processo de produção, as empresas devem se concentrar em testar seus novos projetos e produtos em três dimensões (consideradas como modelos digitais) por meio de software em ambiente virtual.

A Internet das Coisas (Internet of Things – IoT) é um conceito utilizado para descrever ambientes onde objetos se comunicam uns com os outros através de uma estrutura de rede, de forma a trocarem informações sobre si próprios, sobre demais objetos ao seu redor e sobre o ambiente em que estão inseridos (FISCHER, 2019).

A aplicabilidade desse conceito tem crescido com velocidade, sendo estimado que até 2025 todos os objetos do nosso dia a dia estarão conectados com o mundo digital através de IoT (SARHAN, 2018).

Uma das áreas onde a aplicação de IoT tem se destacado é a área de automação industrial. Nesse campo, o uso de IoT vem sendo denominado IIoT (Industrial Internet of Things ou Internet das Coisas Industriais). A IIoT representa um ambiente industrial interconectado, onde máquinas trocam informações em tempo real entre si e com demais sistemas e serviços, através da utilização de componentes inteligentes (CIVERCHIA 2017).

O desenvolvimento de ambientes IIoT é entendido como um dos pilares de uma nova revolução industrial, a qual está sendo referenciada como Indústria 4.0. Esse termo é frequentemente entendido como a aplicação do conceito de sistemas ciberfísicos (Cyber Physical Systems – CPS) a sistemas de produção industrial (DRATH; HORTH, 2014).

A partir da construção dessa base de conhecimento, este trabalho propõe fornecer uma exposição sistemática para o emprego prático dos conceitos da indústria 4.0 e a internet industrial das coisas – IIoT e suas possibilidades no que diz respeito ao monitoramento, gerenciamento, acionamento e otimização de seu uso em uma residência ou indústria, tendo por motivação aspectos como comodidade, sustentabilidade, acessibilidade e economia de energia.

1.1 OBJETIVOS

Foram sintetizados a seguir um objetivo geral norteador de atividades e alguns específicos, visando direcionar algumas das possíveis ações de pesquisa.

1.1.1 Objetivos Gerais

O trabalho tem como objetivo, avaliar e interpretar os conceitos abordados na indústria 4.0 e apresentar as principais aplicações de internet das coisas em diferentes setores da sociedade através do Desenvolvimento de Sistema IoT para monitoramento e controle de sensores e atuadores mapeados capazes de realizar a automação e o controle de um sistema sendo residencial ou industrial, utilizando o módulo WiFi “ESP8266 Node MCU”.

1.1.2 Objetivos Específicos

Como objetivos específicos tem-se

• Realizar uma Revisão Sistemática de modo a identificar na literatura definições sobre a Indústria 4.0 e IoT;
• Traçar um panorama das aplicações de IoT;
• Apresentar aplicações IoT como ferramenta de apoio na indústria;
• Elaborar e desenvolver um sistema virtual que se comunicará com o dispositivo físico e fará os devidos configurações do sistema.
• Incentivar a inclusão a alternativas tecnológicas.

1.2 JUSTIFICATIVA

A Indústria 4.0 é um tema recente e tem gerado um grande interesse nos setores econômicos e acadêmicos, refletido no aumento de publicações relacionados a temática (LIAO et al., 2017).

Liao et al. (2017) afirmam que a 4ª Revolução Industrial tem se tornado nos últimos anos um dos tópicos mais frequentemente discutidos em diversas conferências e fóruns relacionados à manufatura. Ainda nesta mesma linha de considerações, Drath e Horch (2014) apontam que a Indústria 4.0 é uma tendência forte na indústria, a qual servirá de ponte para a virtualização de objetos físicos e serviços na indústria.

Por ser um assunto recente, a Indústria 4.0 ainda não tem uma visão muito bem definida como afirmam Hermann, Pentek e Otto (2016), que discutem que a falta de um entendimento sistêmico sobre a Indústria 4.0 resulta em uma grande dificuldade em tratar o assunto no meio acadêmico.

Uma visão panorâmica dentro de um trabalho científico traz um olhar observador de maneira holística, onde vários pontos são levantados e pode instigar ao leitor uma sensação de querer se aprofundar sobre o tema. Dessa forma, esse tipo de pesquisa contribui no para o esclarecimento geral sobre um determinado assunto. Na perspectiva da internet das coisas, enxergar de uma forma informativa questões sobre suas aplicações e de maneira geral, abrem o espaço para novas pesquisas dentro desse assunto.

1.3 METODOLOGIA

O presente estudo se caracteriza quanto a sua abordagem de pesquisa do tipo bibliográfico descritivo, no qual, por meio da literatura existente, busca-se expor os avanços, aplicações e projeções da Internet das coisas (GIL, 2002). A bibliografia utilizada como base para a realização da pesquisa foi selecionada levando em consideração a data de publicação, abrangendo um espaço de tempo de aproximadamente vinte anos (entre 2001 e 2021).

Esse intervalo de tempo em questão, abrange assuntos conceituais iniciais de aplicações sobre internet das coisas até exemplos do seu uso recentemente. O levantamento bibliográfico de artigos, trabalhos de conclusão de curso, teses de doutorado, dissertações de mestrado e livros, foram buscados encontrados nos seguintes repositórios: Base de dados S-cielo, Periódicos CAPES e Google Acadêmico.

O Google Acadêmico, se caracteriza, na verdade, como um diretório que indexa publicações e artigos de outras bases de dados, e, portanto, priorizou-se as demais bases selecionadas. O período de pesquisa se estendeu entre junho de 2020 e março de 2021. Para melhor compreensão do estudo realizado, foram categorizados, enquanto metodologia, duas frentes: a abordagem a caracterização do tipo de pesquisa e as etapas necessárias para chegar nos resultados.

Para Gil (2002), uma abordagem descritiva se caracteriza por proporcionar maior familiaridade com o problema, com vistas a tomá-lo mais explícito ou a constituir hipóteses. Segundo o autor estas pesquisas têm como objetivo principal o aprimoramento de ideias ou a descoberta de intuições tendo seu planejamento flexível, de modo que possibilite a consideração dos mais variados aspectos relativos ao fato estudado. Por fim, a pesquisa descritiva leva em conta o levantamento bibliográfico e análise de exemplos que facilitam a compreensão acerca do tema.

2 REFERENCIAL TEÓRICO

O referencial teórico deste trabalho traz uma apresentação de uma revisão da Indústria 4.0, incluindo uma visão geral da Indústria 4.0, um breve histórico do tema, definições e principais características da Indústria 4.0, pilares, componentes básicos, princípios e aplicações, que se tornou uma síntese de estudos sistemáticos da literatura sobre esse tópico.

2.1 INDÚSTRIA 4.0 – NOVA ERA TECNOLÓGICA

A indústria 4.0 ou também conhecida como a Quarta Revolução Industrial, é um novo conceito ou termo que engloba formas de tecnologia para automação, troca de dados, e utilização de conceitos de Sistemas Cibernéticos ou ciber-físicos, Computação em Nuvem e Internet das Coisas. A visão desta nova revolução tecnológica tem grande utilidade para sistemas de produção ciber-físico, nos quais, os sensores com maior tecnologia passam informações para os equipamentos ou máquinas como elas devem ser processadas e os processos devem governar a si mesmos num sistema descentralizado modular (SCHIEWIG,2016).

É uma tecnologia que tornarão as empresas mais inteligentes e conectadas a todos os processos existentes dentro da organização. Essa conectividade pode, como exemplo, prever paradas do processo produtivo, avisar em tempo mais que real, fornecedores e subfornecedores que peças precisam ser repostas, digitalizar projetos dos produtos e sua futura linha de produção, planejar a produção antecipadamente em ambiente digital, entre outros. Também é possível aumentar a produtividade, controlar processos, ganhar eficiência no uso de recursos, segurança e confiabilidade, uma vez que os dados são armazenados e rastreados (SCHIEWIG,2016).

A indústria 4.0 é muito mais do que o uso de tecnologia das coisas e computação em nuvem nos processos de produção. Ela é caracterizada por modelos de negócios realmente inovadores, que geram vantagens competitivas significativas e sustentáveis para as empresas. (Schiewig, 2016)

O termo Industry 4.0, industrie 4.0 ou Indústria 4.0 foi introduzido em 2011, pelo Instituto Fraunhofer-Gesellschaft e pelo Governo Federal Alemão como um termo coletivo que define o conjunto de tecnologias para fluxo de informações, automação e manufatura. (CHUNG & KIM, 2016).

A iniciativa do Governo Alemão faz parte de um programa de estratégia de alta tecnologia para introduzir a ideia de indústria totalmente integrada (HOFMANN & RÜSCH, 2017).

De acordo com Shorouf, Ordieres e Miragliotta (2014) o Ministério Federal de Educação e Pesquisa Alemão define a Indústria 4.0 como o aumento na flexibilidade da cadeia de valor, em decorrência da aplicação de Sistemas Físicos Cibernéticos, em inglês Cyber Physical Systems, permitindo a auto adaptação de máquinas e plantas a mudanças devido a novas necessidades.

Os autores afirmam que o foco está na capacidade dos sistemas na percepção de informações, com intuito de identificar descobertas, se adaptar as novas necessidades e reter conhecimento com a experiência.

Além disso, Kagermann, Wahkster e Helbig (2013) apontam que os promotores da Industria 4.0 esperam atingir o objetivo de alcançar melhorias significativas nos processos industriais que envolvem fabricação, engenharia, gestão da cadeia de suprimentos e ciclo de vida.

Hermann, Pentek e Otto (2015) definem Indústria 4.0 como um termo coletivo para tecnologias e conceitos da cadeia de valores da organização. Ainda de acordo com os autores, dentro das Fábricas Inteligentes, em inglês Smart Factories, estruturadas ao molde da Indústria 4.0, os Sistemas Físicos Cibernéticos monitoram os processos físicos, criam uma cópia virtual do mundo físico e tomam decisões descentralizadas.

Outro aspecto levantado por Hermann, Pentek e Otto (2015) é que os Sistemas Físicos Cibernéticos são integrados com a Internet das Coisas, em inglês Internet of Things, com os humanos, e com a Internet dos Serviços, sendo que esta última oferece serviços, tanto de natureza interna quanto externa, utilizados pelos stakeholders da cadeia de valor.

Drath e Horch (2014) afirmam que muitas empresas, organizações e universidades focam em aspectos distintos da Indústria 4.0. Alguns requisitos esperados para a implementar da Indústria 4.0 refletem a maioria dos aspectos trabalhados por essas entidades:

• Proteção do investimento: O passo a passo para a introdução da Indústria 4.0 em empresas existentes deve ser viável;
• Estabilidade: O funcionamento da Indústria 4.0 em empresas não deve ser comprometido, seja por perturbações ou por um colapso.
• Privacidade de dados: A empresa necessita saber como proteger dados e serviços relacionados a produção.
• Segurança Cibernética: O acesso não autorizado a sistemas de produção deve ser combatido, com intuito de prevenir danos econômicos.

De modo a implementar a Indústria 4.0, Kagermann, Wahkster e Helbig (2013) sugerem três características principais a serem consideradas:

• Integração Horizontal: a organização deve, ao mesmo tempo, competir e colaborados com outras organizações relacionadas. Por meio desta cooperação, ambas corporações podem se fortalecer através da formação de um ecossistema eficiente de troca de informações, o qual poderá agregar valor aos seus modelos de negócios (Wang et al., 2015).
• Integração Vertical: uma fábrica possui vários sistemas e departamentos, como controle e gerenciamento de produção, planejamento coorporativo e sistemas de sensores, sendo essencial a integração entre todos esses sistemas e departamentos para permitir um sistema de manufatura flexível e reconfigurável por meio de um sistema auto-organizado que se adapta dinamicamente a diferentes tipos de produtos e processa um grande volume de informações (Wang et al., 2015).
• Engenharia de ponta a ponta: em um processo de criação de valor centrado no produto, toda a cadeia de atividades envolvida, desde o processo de coletar e identificar requisitos do cliente até o processo de reciclagem do produto, deve estar integrada por meio de um modelo de produto contínuo e coerente (Wang et al., 2015)

Kagermann, Wahkster e Helbig (2013) afirmam que a integração da Internet das Coisas, aliada ao processo de manufatura, é a porta de entrada para a 4ª Revolução Industrial. Conforme os mesmos autores, a fusão entre o mundo físico e virtual é outro importante componente da Indústria 4.0 e como faz notar Lee (2008) é possibilitada pela integração entre os processos físicos e computacionais, os Sistemas Físicos Cibernéticos. As fábricas que aplicam esses conceitos são chamadas de Fábricas Inteligentes e formam a base da Industria 4.0 (HOFMANN & RÜSCH, 2017).

Segundo (Silva, 2016), a Indústria 4.0 envolve o uso de avanços na tecnologia de comunicação e informação para aumentar o grau de automação e digitalização da produção, fabricação e processos industriais. O objetivo final é gerir todo o processo da cadeia de valor, melhorando a eficiência no processo de produção e obtendo produtos e serviços de qualidade superior. Isso dará origem a fábrica do futuro ou “Smart Factory” (Fábrica Inteligente). Essa fábrica é prevista para operar com tranquila eficiência, em que todos os processos são executados e conduzidos sem problemas. A Figura 1 ilustra as revoluções industriais, suas características e marcos.

Figura 1 – Revoluções Industriais

2.1.1 Princípios e Pilares da Indústria 4.0

Alguns princípios são citados por (Silveira, 2016) e norteiam a aplicação da Indústria 4.0, sendo definidos a partir de sistemas de produção inteligentes e tendem a surgir ou serem aperfeiçoados nos próximos anos. Os cinco princípios citados são:

• Capacidade de operação em tempo real: os dados são adquiridos e tradados de forma instantânea, o que permite auxiliar nas tomadas de decisão em tempo real.
• Virtualização: além de simulações e sistemas supervisórios, há a proposta de uma cópia virtual do chão de fábrica. São oferecidos serviços de rastreio e monitoramento remoto de todos os processos, através dos sensores espalhados pela fábrica.
• Descentralização: As tomadas de decisões poderão ser feitas pelo sistema cyber-físico em tempo real, de acordo com as necessidades de produção. As máquinas além de receber comandos, também fornecem informações sobre seu ciclo de trabalho.
• Orientação a serviços: uso de arquiteturas de softwares direcionadas aos serviços, conceito de Internet of Services.
• Modularidade: a produção é baseada na demanda, acoplamento e desacoplamento de módulos na produção, permitindo maior flexibilidade na alteração de tarefas previstas para as máquinas.

Rüßman et al. (2015) identificam que os avanços tecnológicos implicaram em um aumento de produtividade na indústria com o passar dos anos. Ao referir-se a tal assunto, os autores apontam que a 4ª Revolução Industrial surge como uma nova onda de transformação tecnológica industrial digital e é sustentada por 9 pilares fundamentais, sendo eles: Big Data, Robôs Autônomos, Simulação, Integração Vertical e Horizontal, Internet das Coisas, Segurança Cibernética, Nuvem, Manufatura Aditiva e Realidade Aumentada. A Figura 2 a seguir ilustra estes 9 pilares.

Figura 2 – Os 9 Pilares tecnológicos da Indústria 4.0

A maior parte destes pilares já estão presentes nos sistemas de produção, no entanto, trabalham de maneira isolada e isso é algo que a Indústria 4.0 traz o diferencial de integrar totalmente esses avanços tecnológicos, fazendo com que a produção seja otimizada melhorando o fluxo entre fornecedores, produtores e clientes (RÜßMANN et al., 2015). Com objetivo de entender melhor o contexto de cada um, os pilares serão apresentados individualmente a seguir.

• Big Data: De acordo com Mell et al. (2015) o termo Big Data é definido como um grande conjunto de dados, no qual grande parte dos dados não é estruturada e possui necessidade de análise em tempo real. A análise de grandes volumes de dados passou a fazer parte das indústrias somente nos últimos anos e trouxe como resultados economia de recursos, ganhos de qualidade na produção e melhoras no funcionamento de equipamentos. No contexto da Indústria 4.0, a coleta e a análise de dados de vários equipamentos distintos passaram a fazer parte do processo de tomada de decisão em tempo real. (RÜßMANN et al., 2015).
• Robôs Autônomos: Rüßmann et al. (2015) argumenta que as indústrias têm usado robôs nas suas linhas de produção para desempenhar atividades complexas, porém a expectativa é de que esses robôs evoluam de uma maneira a qual se tornem cada vez mais colaborativos, flexíveis e autônomos. Ainda nesta mesma linha de considerações, os autores apontam que a tendência é que esses robôs interajam entre si e trabalhem de maneira colaborativa com humanos. Outro aspecto apontado pelos autores é que o custo tende a cair e a diversidade de ações destes robôs na indústria tende a aumentar em relação ao presente.
• Simulação: A simulação é amplamente utilizada na área de engenharia, por meio de simulações em 3D de produtos, materiais e processos de produção. Porém, no contexto da Indústria 4.0, a perspectiva é que essas simulações passem a englobar as demais áreas da indústria e utilizar dos conceitos de temporalidade para simular o mundo físico em um mundo virtual, seja máquinas, produtos ou humanos. Isso irá implicar em uma tomada de decisão mais precisa, que irá permitir testar e otimizar máquinas e processos antes da sua implantação (RÜßMANN et al., 2015). Como aponta Monostori (2014), outro benefício da Simulação é a previsão de como mudanças podem afetar o comportamento de um processo, agregando valor e gerando economia de recursos.
• Integração Vertical e Horizontal: Segundo Wang et al. (2015) a integração horizontal acontece entre empresas, onde elas devem competir e cooperar entre elas. Ainda segundo os autores, integração vertical ocorre entre setores físicos e funcionais da própria empresa. Com a Indústria 4.0, segundo Rüßmann et al. (2015), as empresas, departamentos, setores, mão de obra irão se tornar muito mais coesos, através de uma integração universal entre os meios físicos e virtuais viabilizando um fluxo de criação de valor totalmente automatizado.
• Internet das Coisas: A Internet das Coisas permitirá a descentralização da tomada de decisão, por meio da comunicação em tempo real entre Objetos Inteligentes e a Internet (RÜßMANN et al., 2015). Como aponta Zhou, Liu e Zhou (2015) a Internet das Coisas inclui identificação por rádio frequência (RFID), sensores infravermelhos, sistemas integrados, scanners a laser entre outros dispositivos de leitura de informações e objetos que podem ser conectados à Internet para fins de troca de dados e comunicação, com intuito de realizar identificação, localização, rastreamento, monitoramento e gerenciamento de objetos inteligentes. Ainda de acordo com os autores, a integração da Internet das Coisas com a Indústria 4.0 é indispensável.
• Segurança Cibernética: De acordo com Gilchrist (2016) os sistemas industriais estão cada vez mais suscetíveis a ameaças digitais e, neste sentido, devem ser implementadas ações de segurança cibernética que reconheçam vulnerabilidades e mantenham a integridade do processo. A necessidade de proteção cibernética de sistemas de gerenciamento e linhas de produção aumenta com a crescente conectividade e utilização de protocolos de comunicação, apesar de muitas empresas ainda confiarem em sistemas não conectados ou fechados (RÜßMANN et al., 2015). Ainda de acordo com os autores, muitos vendedores de equipamentos industriais têm formado parcerias com companhias de segurança cibernética.
• Nuvem: Rüßmann et al. (2015) argumenta que a Indústria 4.0 trará as empresas uma maior necessidade no compartilhamento de dados entre sites e fora dos limites da empresa, juntamente com um aumento na performance das tecnologias que irão alcançar tempos cada vez menores, gerando a necessidade de uma integração entre máquinas e a nuvem. Os autores salientam que que a nuvem irá possibilitar mais serviços baseados em dados aplicados nos sistemas de produção. No mesmo sentido, Gilchrist (2016) revela que os grandes volumes de dados gerados em um ambiente 4.0 implica na necessidade indispensável do compartilhamento de dados, com objetivo de aproveitar todas as possibilidades dentro da cadeia de valor. O compartilhamento e o armazenamento destes dados são possibilitados pelos serviços de nuvem.
• Manufatura Aditiva: Rüßmann et al. (2015) afirmam que manufatura aditiva foi adotada recentemente pelas empresas, como por exemplo a impressão 3D, o qual em sua grande maioria é utilizada para projetar ou produzir componentes individuais. Segundo os mesmos autores, a Indústria 4.0 trará um maior volume de utilização desses métodos de manufatura aditiva os quais irão produzir pequenos lotes customizados que oferecem vantagens como designs complexos e leves. Projetos mais complexos, mais fortes e com geometrias mais leves, bem como um melhor custo-benefício em relação a matéria prima são benefícios proporcionados pela manufatura aditiva conforme aponta Hagel et. al. (2015).
• Realidade Aumentada: Atualmente os sistemas baseados em realidade aumentada dão auxílio a uma variedade de serviços, como por exemplo dar instruções através de dispositivos móveis instruções de reparo para peças em um depósito (RÜßMANN et al., 2015). Os autores afirmam que esses sistemas ainda são embrionários e que no futuro, as empresas irão tornar muito mais ampla amplo o uso da realidade aumentada fornecendo aos trabalhadores informações em tempo real para auxiliar na tomada de decisão.

2.1.2 Componentes básicos da indústria 4.0

De acordo com a Revisão Sistemática de Literatura realizada por Hermann, Pentek e Otto (2015) foram identificados 4 componentes principais da Indústria 4.0: Internet das Coisas, Internet dos Serviços, Sistemas Físicos Cibernéticos e Fábricas Inteligentes, os quais serão abordados de maneira mais detalhada nos próximos tópicos.

2.1.2.1 Internet das Coisas e Internet dos Serviços

A Internet das Coisas é uma das principais tendências que moldam o desenvolvimento de tecnologias na área de informação e comunicação (MIORANDI, 2012). De acordo com Kagermann, Wahlster e Helbig (2013) pode ser considerado um precursor da Indústria 4.0 devido a sua capacidade de incorporar todo o ambiente de manufatura em um ambiente integrado via Internet.

Tan e Wang (2010) destacam que a Internet das Coisas pode ser considerada como uma infraestrutura de rede global composta por vários dispositivos conectados que dependem de tecnologias de processamento de informação e comunicação. Segundo Li, Zu e Zhao (2014) a Internet das Coisas foi iniciada com o uso da tecnologia de RFID.

Almeida (2015) define a Internet das Coisas como à integração entre elementos físicos e virtuais conectados à Internet, possibilitando a coleta, troca e armazenagem de uma grande quantidade de dados por meio de “coisas”, no qual através do processamento e da análise desses dados gerem informações.

Devido a ampla definição encontrada na literatura sobre a Internet das Coisas, Atzori, Ieta e Morabito (2010) definem três visões particulares para o assunto: Visão Orientada à Internet, Visão Orientada às Coisas e Visão Orientada à Semântica, conforme pode ser visualizado na Figura 3.

Figura 3 – Visões sobre a Internet das Coisas

Além disso, a seguir tem-se as definições de cada uma dessas visões:

• Visão orientada às coisas: se sustenta no fato de que qualquer coisa pode ser rastreada através de sensores e tecnologias utilizando RFID (SINGH, TRIPATHI & JARA, 2010).
• Visão orientada à Internet: aborda a necessidade de os Objetos Inteligentes, em inglês Smart Objects, estarem conectados, os quais sejam identificados de forma única e de maneira compreensível para que seus atributos e características sejam monitorados de maneira contínua através de sensores (SINGH, TRIPATHI & JARA, 2010).
• Visão orientada à Semântica: o grande volume de dados a ser processado devido à enorme quantidade de sensores, os quais coletarão esses dados, cria a necessidade de gerenciamento e tratamento destes dados brutos (SINGH, TRIPATHI & JARA, 2010).

No contexto da Indústria 4.0, segundo Kang et al. (2015) a Internet das Coisas coleta ou troca dados obtidos através de sensores inteligentes e permite a análise destes dados através do Sistema Físico Cibernético. Outro aspecto levantado por Roblek, Mesko e Krapez (2016), é que a Internet das Coisas possibilita a criação de modelos de negócios, serviços e produtos completamente novos os quais prometem avanços graças a virtualização em todas as indústrias.

Shorouf, Ordieres e Miragliotta (2014) mostram que as Fábricas Inteligentes proporcionam produtos e serviços inteligentes que estão conectados pela Internet das Coisas, os quais as irão gerar dados para análise e tomada de decisão permitindo, assim, a identificação de necessidades e comportamentos desses produtos e serviços. Isto vem ao encontro de Buxmann, Hess e Ruggaber (2009), os quais afirmam que a Internet dos Serviços, a qual consiste na integração entre o modelo de negócios da empresa com serviços oferecidos pela Internet, proporciona uma maximização na cadeia de valor por meio da integração entre plataformas.

2.1.2.2 Sistemas Físicos Cibernéticos

De acordo com Rajkumar et al. (2010), Sistemas Físicos Cibernéticos são sistemas físicos cujas operações são monitoradas, coordenadas, controladas e integradas por meio da computação e comunicação. Segundo Bahet e Gill (2011), os Sistemas Físicos Cibernéticos representam uma nova geração de sistemas que integram capacidades físicas e computacionais que podem interagir com humanos através de novos meios.

Monostori (2014) afirma que Sistemas Físicos Cibernéticos são sistemas de colaboração computacionais que estão em forte conexão com o mundo físico ao seu redor e seus processos atuais fazendo uso, simultaneamente, de dados acessados e processados por serviços disponíveis na Internet. A interação entre sistemas físicos, computadores e a internet exigem uma nova configuração das tecnologias para viabilizar esses meios de interação (SHI et al., 2011).

Segundo Lee et al. (2015) a Arquitetura 5C é uma estrutura que propõe claramente através de um fluxo sequencial de trabalho como construir um Sistema Físico Cibernético desde a coleta inicial dos dados, passando pelo processo analítico e por final na criação de valor. A Arquitetura 5C é delineada conforme a Figura 4, e os níveis são apresentados a seguir:

• Conexão Inteligente: A confiabilidade dos dados coletados é essencial para o desenvolvimento de um Sistema Físico Cibernético, sendo esses dados, geralmente medidos diretamente por sensores ou por um Sistema Integrado de Gestão Empresarial (Lee et al., 2015).
• Conversão de Dados em Informação: Atualmente existem várias ferramentas e tecnologias disponíveis para converter dados em informação, sendo o foco das pesquisas dos últimos anos o desenvolvimento de algoritmos capazes de autodiagnóstico através do autoconhecimento levado pelo Sistema Físico Cibernético para as máquinas (Lee et al., 2015).
• Ciber: As informações são empurradas para o Sistema Físico Cibernético de qualquer máquina conectada para assim formar a base de dados. Análises específicas precisam ser utilizadas para extrair informações adicionais que favorecem o poder de decisão sobre o estado das máquinas (Lee et al., 2015).
• Cognição: A apresentação adequada dos conhecimentos adquiridos a usuários experientes oferece suporte à priorização e na otimização na tomada de decisão. Neste nível são indicados gráficos de informação para compartilhar adequadamente o conhecimento adquirido para os usuários (Lee et al., 2015).
• Configuração: Onde acontece o feedback partindo do meio computacional para o meio físico, e funciona como uma supervisão com intuito de controlar e fazer com que as máquinas se autoconfigurem e auto adaptem (Lee et al., 2015).

Figura 4 – Estrutura da Arquitetura 5C

Krog e Huang (2008) enumeram que as aplicações de Sistemas Físicos Cibernéticos incluem sistemas e dispositivos médicos, segurança e controle de tráfego, sistemas automotivos avançados, controle de processos, conservação de energia, softwares de aviação, instrumentação, usinas de energia, robôs distribuídos, sistemas de armas, controle e comando de sistemas distribuídos, estruturas inteligentes e sistemas de comunicação.

2.1.2.3 Fábricas Inteligentes

Lucke et al. (2008) definem Fábrica Inteligente como uma fábrica que percebe o ambiente e auxilia pessoas e máquinas na execução de tarefas. Wang et al. (2015) também afirmam que a Fábrica Inteligente constitui no principal elemento da Indústria 4.0, no qual os Sistemas Físicos Cibernéticos existentes comunicam-se entre si e com outros meios através da Internet das Coisas e da Internet dos Serviços, contribuindo no auxílio a pessoas e máquinas na execução de suas tarefas.

A integração entre os Sistemas Físicos Cibernéticos com a Internet das Coisas e a Internet dos Serviços, por meio do fluxo de informações, viabiliza a chamada Fábrica Inteligente, que é baseada em um sistema com produção descentralizada (HOFMANN & RÜSCH, 2017).

De acordo com Kagermann, Wahkster e Helbig (2013), nas Fábricas Inteligentes os produtos encontram seu caminho de forma independente por meio de seus processos de produção e são localizados e identificados a qualquer momento de maneira facilitada, ainda mantendo o objetivo em custos baixos, porém com produção em massa altamente flexível e individualizada.

Wang et al. (2016) afirmam que a integração vertical está diretamente relacionada a implementação das Fábricas Inteligentes, o qual apresenta características de flexibilidade e reconfigurabilidade. Outro aspecto levantado pelos autores é que as Fábricas Inteligentes terão capacidade de produzir pequenos lotes de produtos customizados de forma eficiente e rentável.

De acordo com Wang et al. (2016), para implementação de uma Fábrica Inteligente é fundamental a combinação de Objetos Inteligentes com análise de Big Data. Nesse sentido, os autores reforçam que enquanto os Objetos Inteligentes podem se reconfigurar dinamicamente para alcançar alta flexibilidade, a análise de Big Data fornece feedback global para alcançar alta eficiência.

Wang et al. (2016) identificam que máquinas inteligentes, conversores e produtos se comunicam e interagem uns com os outros por meio da Internet das Coisas e da Nuvem, possibilitando a autoconfiguração para flexibilizar a produção de vários tipos de produtos. Dessa forma, a Figura 5 esquematiza a visão de uma Fábrica Inteligente.

Figura 5 – Visão da Fábrica Inteligente

Wang et al. (2016) afirmam que a Internet das Coisas coleta grandes volumes de dados dos Objetos Inteligentes e os armazena na nuvem, possibilitando um amplo sistema de feedback e controle baseado na análise dos dados na nuvem com objetivo de otimizar a performance do sistema, o que constitui a estrutura de trabalho e o mecanismo operacional de uma Fábrica Inteligente.

Wang et al. (2016) apontam que as Fábricas Inteligentes contribuem na implementação de um sistema de produção com menos desperdício, alinhado com os desafios globais em relação a sustentabilidade. Outro aspecto levantado pelos autores é que, embora a implementação das Fábricas Inteligentes ainda seja um desafio técnico para as empresas, elas podem ser aplicadas concomitantemente com os avanços tecnológicos, focando nas tecnologias chave para sua implementação.

2.1.3 Impactos, Desafios e Benefícios Da Indústria 4.0

De acordo com Baur e Wee (2015), existem 3 requisitos os quais as organizações devem estar alinhadas para aproveitar todo o potencial da Indústria 4.0, sendo eles:

• Maior coleta e melhor uso das informações: o melhor gerenciamento dos dados pode garantir um aumento de até 25% na produtividade da empresa;
• A alta direção alinhada com a Indústria 4.0: a alta direção deve contemplar a Indústria 4.0 na estratégia da empresa. Isso se deve ao fato de que o tradicional modelo de negócios da indústria está em transformação, implicando na criação de novos modelos de negócios adaptados as novas necessidades;
• Estar preparada para uma transformação digital: requisito essencial para aplicar a maior parte das tecnologias da Indústria 4.0, as organizações devem estruturar o seu modelo de negócios para dar suporte a essa transformação.

No mesmo sentido, Koch et al. (2014) elencam 3 pontos direcionadores para as organizações ao implementar a Indústria 4.0, baseados em uma pesquisa com 235 empresas industriais da Alemanha, sendo eles:

• Melhor gerenciamento e integração da cadeia de valor: através da otimização da cadeia de valor, as empresas esperam um aumento de 18% na produtividade, sendo que aproximadamente 85% das empresas deverão ter implementado soluções em Indústria 4.0 nos próximos 5 anos;
• Digitalização e interconexão entre produtos e serviços: as empresas esperam um incremento adicional de 2% nas receitas ao ano, através do aumento da competitividade;
• Novos modelos de negócios baseados no maior valor agregado aos clientes: são caracterizados pelo considerável aumento na cooperação entre toda a cadeia de valor, aumentando a capacidade de mapear as necessidades dos clientes;

Rüßman et al. (2015) apontam que a Indústria 4.0 irá transformar sistemas de produção e produtos por meio do design, da manufatura, da operação e serviços relacionados. A despeito disso, os autores afirmam que a conectividade e a integração entre máquinas e humanos irão implicar em um aumento de 30% na velocidade e 25% na eficiência dos sistemas de produção, além de elevar o nível e volume de customização a novos patamares. Outro ponto é que a manufatura deixará de ser baseada em células autônomas para se basear em células totalmente integradas, com recursos automatizados que se comunicam entre si aumentando a flexibilidade, velocidade, produtividade e a qualidade.

Rüßmann et al. (2015) também elencam as transformações nos sistemas e processos de produção as quais irão permitir responder as necessidades dos clientes de maneira mais rápida do que hoje em dia, sendo elas:

• Ao longo de toda a cadeia de valor, os processos de produção serão otimizados através da integração de sistemas via Internet das Coisas;
• Os protótipos físicos serão reduzidos ao mínimo devido à forte virtualização no planejamento que irá integrar todos os processos envolvidos;
• A flexibilidade nos processos de manufatura irá viabilizar a produção de pequenos lotes customizados, através da integração de robôs, máquinas e produtos inteligentes;
• Os processos de manufatura serão otimizados através do autoaprendizado e da autotimização das máquinas, que irão ajustar seus parâmetros conforme as necessidades requeridas em tempo real;
• A logística automatizada, através de robôs e veículos autônomos, irá se adaptar automaticamente as necessidades de produção.

Conceituando a Indústria 4.0 como um novo estágio dos sistemas produtivos industriais, Venturelli (2016) enumera a redução de custos, economia de energia, aumento de segurança, redução de erros, fim do desperdício como alguns dos benefícios esperados.

2.2 PERSPECTIVA HISTÓRICA DA IOT

O termo IoT foi criado em 1999 por Kevin Ashton, um britânico pioneiro em tecnologia. Numa apresentação, Ashton explicou a forma como os computadores do futuro iriam estar conectados e autossuficientes. O próprio Ashton trabalhava em um projeto de otimização de cadeia de abastecimento, e queria atrair a atenção da administração da sua empresa, a Procter & Gamble, para uma nova tecnologia chamada Radio-Frequency Identification (RFID). Por isso, Ashton foi considerado na literatura como o então criador desse termo, ao descrever que os objetos do mundo físico poderiam se conectar à internet, criando um mundo mais inteligente. Devido ao fato de a Internet ter sido a nova tendência em 1999 e porquê de alguma forma faria sentido, ele deu o nome de “Internet das Coisas” o que acabou não cativando interesse nos 10 anos seguintes (SANTOS, 2016).

Apenas a partir de 2005, que a discussão sobre a Internet das Coisas se generalizou e começou a ganhar a atenção dos governos e aparecer relacionada a questões de privacidade e segurança de dados. Foi neste ano que a Internet das Coisas se tornou a pauta do International Telecommunication Union (ITU), agência das Nações Unidas para as tecnologias da informação e da comunicação, que publica anualmente um relatório sobre tecnologias emergentes (SINGER, 2014). Assim, depois da barda larga e da internet móvel, a Internet das Coisas ganhou a atenção do órgão e passou a figurar como o “próximo passo das tecnologias que prometem um mundo de dispositivos interconectados em rede” (ITU, 2005, p. 1).

Segundo IoT Analytics (LUETH, 2014), o conceito de IoT começou a ganhar de fato popularidade em 2010. Isto deveu-se ao fato de terem surgido informações de que o serviço Street View da Google não só tinha feito fotos em 360º, mas também tinha armazenado toneladas de dados das redes Wi-Fi das pessoas. Isso deu origem ao debate sobre se esta tinha sido o início de uma nova estratégia da Google, não só para indexar a Internet, mas para indexar todo o mundo físico. Ainda no mesmo ano, o governo chinês anunciou que iria tornar a Internet das Coisas uma prioridade estratégica no seu plano a 5 anos.

A IoT Analytics, afirma ainda que o termo IoT chegou à consciência do mercado de massas, quando em janeiro de 2014 a Google anunciou a compra da Nest por 3,2 bilhões de dólares. Ao mesmo tempo, a Consumer Eletronics Show (CES), em Las Vegas, foi realizada sob o tema IoT. De acordo com (Evans, 2011), a IoT é um paradigma em que mais “coisas ou objetos” estão conectados à Internet do que pessoas. A Figura 1 faz um comparativo do número de pessoas e dispositivos conectados ao longo dos últimos anos e a projeção até 2020.

Figura 6 – População x dispositivos conectados

2.2.1 A Internet das Coisas (IoT) na Indústria 4.0

Um dos principais pilares desse novo arranjo industrial é a ideia de que tudo possa estar conectado, como em um grande cérebro, onde cada neurônio possa receber, interpretar e levar a informação adiante. Partindo desse pressuposto, a IoT é a grande engrenagem que faz todo esse sistema funcionar. Ela é responsável por fazer com que cada parte de um todo esteja conectada online, coletando informações (ROMANO, 2017).

Enquanto na Internet convencional os usuários comunicadores são seres humanos, na Internet das coisas estes são objetos. Ou seja, ao invés da Internet ser um espaço onde somente pessoas conversam entre si, torna-se ambiente onde equipamentos podem estabelecer uma comunicação e trocar informações. Um exemplo deste novo modelo, pode ser de um sensor de temperatura instalado em uma cozinha, que coleta e envia dados para um datacenter, que por sua vez os trata e exibe para alguém ou, automaticamente, aciona o alarme de incêndio e liga para os bombeiros em caso de necessidade. Assim sendo, um sistema, de forma autônoma, pode tomar decisões que antes eram de alçada somente de seres humanos (SANTOS et. al., 2016).

Desde uma macrovisão do alcance deste sistema, a IoT tem potencial para revolucionar o modo como enxergamos e gerenciamos as atividades. Segundo Sacomano et. al. (2018), essa tecnologia pode criar cidades inteligentes, nas quais os elementos urbanos estariam interligados por sistemas que poderiam eliminar congestionamentos,   melhorar    o    transporte    público,   gerenciar   a    geração    e distribuição de energia, acionar a emergência ou a polícia em casos necessários etc.

O que se pode observar ao longo do tempo é que a internet das “coisas’ está se tornando a Internet da “gestão de dados”. Como suas aplicações evoluíram muito dentro das indústrias e residências, evoluiu, concomitantemente, a geração de dados. Desse modo, fica evidente que, cada vez mais, a eficiência no tratamento e gestão dessas informações está ditando diferenciais estratégicos (SANTOS, et. al., 2016).

2.2.2 Elementos da IOT

Muitos autores apontam que a IoT tem potencial para substituir a realização de serviços que antes eram feitos pelo ser humano. Galegale et. al (2016, p. 424) comenta que Mark Weiser, cientista alemão chefe da empresa Xerox, previu em 1991 que em 20 anos seria possível resolver o problema de sobrecarga de dados com a computação ubíqua, ou seja, que a informática se tornaria tão intrínseca e natural a nossa realidade que se tornaria “invisível”. Em seu artigo, Weiser (1991) afirma que “as máquinas que se adéquam ao ambiente humano, ao invés de exigir que os homens se adequem a elas tornarão o uso da computação tão leve e ‘refrescante’ quanto uma caminhada” (apud Galegale et al. 2016).

Nesse sentido, o conceito da internet ubíqua se aproxima muito da internet das coisas. Podendo ser chamada de computação pervasiva, é um termo utilizado para descrever a onipresença da informática no cotidiano das pessoas. Tem como objetivo tornar a interação humano computador invisível, ou seja, integrar a informática com as ações e comportamentos naturais das pessoas. Não invisível como se não pudesse ver, mas, sim de uma forma que as pessoas nem percebam que estão dando comandos a um computador, mas como se estivessem conversando com alguém. Além disso, os computadores teriam sistemas inteligentes que estariam conectados ou procurando conexão o tempo todo, dessa forma tornando-se assim onipresente (KAHL; FLORIANO, 2012).

A preocupação no mundo atual é com o avanço exponencial do número de dispositivos conectados em relação ao número de pessoas. Um estudo da recente da Cisco, indica que até o ano de 2023, mais de 5 bilhões de pessoas estarão conectadas à internet, sendo pouco mais de 29 bilhões de dispositivos conectados. Nesse contexto, Evans (2011) afirma que “a IoT é o momento exato em que foram conectados à Internet mais ‘coisas ou objetos’ do que pessoas. E pelo que tudo indica, a IoT nasceu quando os dispositivos somavam mais de 1 por pessoa no planeta”.

O conceito de Web das coisas (Web of things) impactam diretamente nas aplicações do cotidiano empresarial e na vida das pessoas que fazem parte, já que através dela é possível novas maneiras de interagir compartilhando informações em tempo real (FLATSCHART, 2017).

Figura 7 – Rede Das Coisas

Fonte: FARIAS (2019, p. 25)

2.2.3 Redes

Uma das maiores preocupações em estar tudo em tempo real se dá quanto a capacidade de infraestrutura que as redes de dados precisam ter para suprir toda a demanda. Só no Brasil estima-se que haja mais celulares do que habitantes, em uma proporção de 107 dispositivos para cada 100 pessoas (TELECO, 2021).

Junto ao número de dispositivos conectados a um servidor local, o consumo diário de dados se torna muito alto ao que se é esperado para um determinado período. Em 2020, ano em que o mundo foi acometido pela pandemia do Novo Coronavírus, a empresa de serviços de streaming Netflix, finalizou o balanço anual no Brasil com 15 milhões de usuários, sendo o consumo médio por hora de 2GB para assistir um filme em alta resolução (TELECO, 2021).

Dentro da IoT existem diferentes tipos de redes e com diferentes frequências em que operam, como são abordados nos tópicos a seguir.

2.2.3.1  Categorização das redes em aplicações IoT

Diferentes tipos de redes podem ser evidenciados dentro do panorama de aplicação na internet das coisas. Um exemplo disso é a identificação por radiofrequência, ou RFID consiste na utilização de ondas eletromagnéticas a fim de comunicar dados de identificação de algum objeto (PEDROSO et al., 2009, p.15).

Para Rei (2010, p.35) RFID pode ser definido como tecnologia de identificação sem fios que se utiliza de sinais para identificar de forma remota um objeto que seja capaz de armazenar e recuperar informação de suas próprias operações a partir de um código.

De maneira geral, a tecnologia RFID funciona como uma etiqueta capaz de controlar estoques em uma cadeia de produção ou até de automatizar pedágios e controle de acesso a estacionamentos. (PEDROSO et al., 2009, p.17).

Santos et al. (2016) abordam alguns tipos de redes mais comuns em relação às suas aplicações:

• Wi-Fi: Esta tecnologia é ótima para efetuar transferências de grandes quantidades de dados entre os dispositivos. No entanto, esta requer uma grande quantidade de energia para operar, ao passo que muitos dispositivos IoT requerem uma taxa de transferência de dados muito menor do que a usada pelo Wi-Fi. Isto significa que as baterias dos dispositivos têm de ser mudadas numa base regular.
• Bluetooth: Introduzido pela Ericsson na década de 1990, a tecnologia Bluetooth é um pilar da comunicação de curto alcance. Transmite dados numa frequência de banda entre os 2,4 e os 2,485GHz. Opera em distâncias menores do que o Wi-fi e requer menos energia para operar. O novo Bluetooth v4.0, ou Smart Bluetooth, é um protocolo importante para a IoT, visto oferecer uma range de alcance similar ao Bluetooth, mas projetado para um consumo de energia significativamente reduzido. No entanto, o Smart Bluetooth não é realmente concebido para transferência de arquivos e é mais adequado para pequenos blocos de dados.
• Zigbee: a tecnologia Zigbee permite a dispositivos de baixa potência de operação, baixa taxa de transmissão de dados e baixo custo de implementação enviarem dados na rede, com cada dispositivo capaz de transmitir os dados em direção ao seu destino pretendido. É um chip que, por ser mais barato e gastar menos energia, tem vindo a ganhar adeptos no mercado. A única desvantagem é o fato de o standard Zigbee existir em vários formatos, não sendo por isso um verdadeiro standard.
• Z-Wave: é uma tecnologia de baixo consumo, primariamente projetada para automação de residências, ou seja, para produtos como controladores de lâmpadas e sensores, entre outros. Otimizada para comunicação confiável e de baixa latência de pequenos pacotes de dados, com taxas de transferência entre os 100 kbit/s, opera na faixa de sub-1GHz, não interferindo na largura de banda 2,4GHz, como o Bluetooth ou o Z-Wave. O Z-Wave utiliza um protocolo mais simples do que as outras tecnologias, que podem permitir um desenvolvimento mais rápido e simples, no entanto a única fabricante destes chips é a Sigma Designs, sendo uma desvantagem para as outras tecnologias wireless que apresentam múltiplos fabricantes.
• Thread: visa solucionar as necessidades da IoT. Com base nas especificações atuais, o Thread é capaz de suportar uma rede de até 250 dispositivos. Cada casa pode ter a sua própria rede, ou seja, uma rede pode ter até 250 aparelhos que interagem com os seus habitantes numa base diária. Tal como acontece no Zigbee, tem uma topologia mesh, ou seja, todos esses dispositivos são capazes de transmitir dados. Esta tecnologia procura evitar o problema de vários standards como acontece com o Zigbee, exigindo um programa de certificação para todos os que desejem incorporar esta tecnologia nos seus produtos, não permitindo a variação de standards. Se a Thread comprovar a sua utilidade, será uma plataforma sólida para a IoT. Mas para isso, os executivos da Thread vão necessitar convencer tanto os utilizadores, como os fabricantes, de que irão resolver um problema, e não apenas adicionar o seu nome à lista de tecnologias em alternativa.

2.2.4 Protocolos TCP/IP IPv4 e IPv6

Os protocolos TCP e IP são os principais do conjunto de protocolos que direcionam o funcionamento da Internet, sendo o protocolo IP responsável por endereçar e encaminhar pacotes que trafegam pela Rede Mundial de Computadores. A versão mais utilizada do protocolo é a versão 4, que possui 32 bits de endereçamento, o que possibilita quatro bilhões de endereços aproximadamente para que dispositivos estejam conectados diretamente à Internet. (Miranda, 2008).

Porém estes IPs estão se esgotando devido ao grande número de dispositivos conectados à Internet como computadores, relógios, eletrodomésticos, entre outros. A solução para o crescimento da rede é o uso do protocolo IP na versão 6 (IPv6). Segundo (Pierini, 2014) o IPv6 atenderá por muito tempo as necessidades da Internet, pois ele possui 128 bits no campo de endereço, podendo endereçar 3,4×1038 IPs únicos. Embora o IPv4 ainda seja a versão mais utilizada, muitas empresas já estão usando o IPv6, como Google, Facebook, Yahoo!, Terra e UOL e alguns equipamentos de rede também estão sendo fabricados já com suporte à IPv6 de forma padrão. Aos poucos o IPv4 tem sido substituído pelo IPv6, que vai permitir mais acessos à Internet.

O IPv4 e o IPv6 não são diretamente compatíveis, já que o IPv6 não foi projetado para ser uma extensão, ou complemento do IPv4, mas sim, um substituto que resolve o problema do esgotamento de endereços. Embora não interoperem, os protocolos podem funcionar em paralelo nos mesmos equipamentos, possibilitando realizar a transição de forma gradual.

Outra vantagem do IPv6 é a mobilidade, pois um equipamento pode mudar de uma rede para outra preservando o endereço, evitando que as conexões sejam perdidas (Tanenbaum & Wetherall, 2011). O sucesso na implantação do IPv6 é fundamental para que a IoT se torne realidade, mas ainda falta iniciativa por parte dos bancos, governos e empresas.

2.2.5 O papel dos sensores

Em meio ao novo modelo de produção, atrelado à automação industrial, fica clara a importância da interpretação de dados para a tomada de decisões, pois são eles que fornecerão as métricas capazes de tornar todo o processo mais eficiente e assertivo. Todavia, a obtenção de dados pressupõe um importante agente: o sensor. É ele o encarregado de coletar e fazer com que as informações cheguem até seu destino (ARIAS, 2020).

Segundo Franck (2003), as Redes de Sensores Sem Fio (RSSFs) são projetadas para detectar eventos ou fenômenos físicos, coletando, processando, e transmitindo dados e informações obtidas para os respectivos interessados. São constituídas de dispositivos chamados “nós de sensores” e por algum ponto capaz de permitir a comunicação, chamado de estação base. Esses nós podem ser equipados com um ou mais sensores, que monitoram o ambiente conforme um objetivo. Além disso, podem ser distribuídos em determinada área a qual se deseja monitorar, utilizando de tecnologia sem fio para desempenhar suas funções.

Com o advento da Internet e a melhora na tecnologia de comunicação wireless, as RSSFs passaram a ter maior potencial. Os ambientes industriais, em sua maioria, não dependem mais de sensores “com fio” que apresentam custos com cabeamento e manutenção, além de possuir dificuldade de implementação em áreas de difícil acesso, incompatibilidade de protocolos e alta taxa de falhas em conectores (FREITAS, et. al., 2007).

Segundo a Voz da Indústria (2018), muitas podem ser as aplicações dos sensores na referida área, dependendo somente da intenção e necessidade de cada implementação. Dentro de uma empresa, podem estar instalados nos maquinários, paredes, portas, veículos e, até mesmo, em EPIs (Equipamento de Proteção Individual) de funcionários. Assim, podem proporcionar mais produtividade, impedir acidentes e introduzir novas percepções sobre a forma de trabalho. Desse modo, os sensores se desvinculam da tecnologia em si mesma, abrindo maior espaço para o uso da criatividade em sua implementação.

2.2.6 Segurança de Dados

Na IoT os dispositivos têm usabilidade em vários aspectos no cotidiano conforme já vimos anteriormente, como dentro de residências, em veículos ou em qualquer atividade de uso diário, em que atualmente coletam informações sobre o comportamento e o perfil dos usuários. Os dados coletados podem inferir padrões de comportamento e horários de utilização de recursos, sendo estas informações consideradas como pessoais e em alguns casos até sigilosas onde os usuários têm total direito à privacidade das mesmas (OLIVEIRA, 2019).

Contudo, ao se tratar da proteção de dados e segurança da informação, a IoT enfrenta entraves. Por estar disposto a auxiliar seus usuários em tarefas corriqueiras, os dados coletados e as informações geradas não têm um sistema capaz de protegê-los em tempo real, assim como é feito em outras tecnologias que lidam com autenticação, por exemplo.

2.2.6.1  Proteção de dados

Para Townsend (2019) um dispositivo inteligente se caracteriza por sua capacidade de processamento e conectividade com a internet. Portanto, qualquer coisa com um processador pode ser hackeada (dados roubados) e qualquer coisa com um processador e conectividade com a Internet pode ser hackeada remotamente. É a implicação disso, segundo o autor, que é deixada para trás pela corrida dos fabricantes por lucro.

Embora qualquer dispositivo com uma pequena quantidade de poder de processamento conectado à Internet possa ser uma ameaça à segurança, essa não é a única motivação que os hackers têm para ir atrás de dispositivos inteligentes menores. Um dispositivo IoT comprometido geralmente pode levar ao comprometimento de outros dispositivos na mesma rede.

Junior et al. (2019) descobriram que 31% dos dispositivos IoT mais vendidos não tinham criptografia de dados, enquanto outros 19% tinham criptografia que era fácil de fazer engenharia reversa e quebrar. Isso deixa metade de todos os aplicativos de controlador de IoT com segurança insuficiente e consequentemente mais expostos a “vazamentos”.

2.2.6.2 Segurança na IoT

Para (Shelby & Bormann, 2009), existem ao menos três grupos de objetivos desejáveis para segurança em IoT:

• Confidencialidade: neste requisito os dados transmitidos devem ser “escutados” e entendidos exclusivamente por elementos participantes da comunicação, ou seja, elementos sem autorização até sabem que ocorreu comunicação, mas não sabem seu conteúdo;
• Integridade: se refere aos dados, que não podem ser alterados por elementos da rede sem a devida autorização. Uma forma de garantir a integridade é implementando a criptografia de mensagens e verificando-as no lado receptor;
• Disponibilidade: é desejável que o sistema esteja sempre disponível e seguro contra-ataques maliciosos. As redes sem fios estão sujeitas a interceptações por hackers que agem nesta vulnerabilidade. Então um sistema IoT deve estar preparado para identificar e tratar problemas, como os ataques Denial of Service (DoS).

Pode-se empregar IPsec para alcançar integridade, porém o IPsec padrão é considerado grande para as aplicações comuns de IoT, sendo necessário realizar adaptações. Vale ressaltar que os requisitos de segurança da IoT variam de aplicação para aplicação, sendo necessário analisar os objetivos mencionados ao implementar uma aplicação.

2.2.6.3  Vazamento de dados no Brasil

Um dos maiores paradigmas do mundo tecnológico atual se dispõe acerca do quão seguro estamos enquanto conectados a um dispositivo que utiliza uma rede de tráfego de dados aberta. Assim, a divulgação involuntária de dados pessoais obtidos através desses dispositivos é popularmente chamada de “vazamento”.

Segundo o site G1 (2021), só no primeiro trimestre de 2021 houve dois grandes importantes vazamentos de dados apenas no Brasil. O primeiro deles é o mais impactante, aconteceu em janeiro e contou com 223 milhões de dados pessoais divulgados, incluindo até de pessoas falecidas. O segundo ocorreu em março do mesmo ano e teve 112 milhões de pessoas afetadas, de acordo com o portal IG (2021). Nesses dois eventos criminosos, foram divulgados registros de identificação, fotos dos rostos das pessoas, endereços, número de telefone, assim como dados relativos ao nível de escolaridade e faixa salarial. Os dois casos apontam a venda desses dados divulgados para organizações interessadas em determinar seu público-alvo de venda.

2.2.6.4  LGPD

No Brasil a Lei n. 13.709 (BRASIL, 2018), ou Lei Geral de Proteção de Dados (LGPD), foi ratificada em 14 de abril de 2018 com o intuito de regular as atividades de tratamento de dados pessoais. A legislação se fundamenta em diversos valores, como o respeito à privacidade; à autodeterminação informativa; à liberdade de expressão, de informação, comunicação e de opinião; à inviolabilidade da intimidade, da honra e da imagem; ao desenvolvimento econômico e tecnológico e a inovação; à livre iniciativa, livre concorrência e defesa do consumidor e aos direitos humanos de liberdade e dignidade das pessoas.

Em vigor desde 2019, a legislação prevê punições como advertência e multa de 2% do faturamento anual da empresa envolvida em vazamentos como este, limitada a 50 milhões de reais. No entanto, as sanções só serão aplicadas a partir de abril de 2021 (BRASIL, 2018).

2.2.7 Blocos básicos de Construção da Internet das Coisas

A IoT é uma combinação de diversas tecnologias, que são complementares no sentido de viabilizar a integração dos objetos reais ao mundo virtual. A Figura 2 apresenta os blocos básicos de construção da Internet das Coisas, que segundo (Al- Fuqaha, 2015) são:

Figura 8 – Blocos básicos de construção da IoT

• Identificação: é um dos blocos mais importantes, pois é essencial identificar os objetos de forma única para conectá-los à Internet. São utilizadas tecnologias como o RFID, NFC (Near Field Communication) e endereçamento IP para identificar os objetos.
• Sensores/Atuadores: através de sensores, os objetos coletam informações ao seu redor e os dados podem ser armazenados ou encaminhados para data warehouse, clouds ou centros de armazenamento. No caso dos atuadores, os objetos podem manipular o ambiente ou reagir de acordo com os dados coletados.
• Comunicação: a comunicação é outro bloco fundamental, pois através dela que os objetos inteligentes se conectam. A comunicação também influencia no consumo de energia dos objetos, que é um fator crítico e desafiador para a IoT, já que a energia é um recurso limitado para a maioria dos objetos e sensores. São exemplos de tecnologias utilizadas para comunicação o WiFi, Bluetooth, IEEE 802.15.4, RFID.
• Computação: este item se refere à unidade de processamento, como microcontroladores, FPGAs e processadores. Dá a capacidade aos objetos inteligentes de computarem.
• Serviços: dentre as diversas classes de serviços que a IoT provê destacam-se os seguintes:
  • Serviços de identificação: são os mais básicos e importantes, pois as aplicações fazem uso para mapear as Entidades Físicas em Entidades Virtuais, facilitando o mapeamento dos objetos no mundo real com seus respectivos objetos no mundo virtual.
  • Serviços de Agregação de Informações: coletam e sumarizam os dados brutos dos objetos inteligentes, que serão posteriormente processados e enviados para as aplicações.
  • Serviços de Colaboração e Inteligência: estes serviços agem sobre os serviços de agregação de informações, utilizando os dados obtidos e processados para tomar decisões e reagir de modo adequado.
  • Serviços de Ubiquidade: oferecem Serviços de Colaboração e Inteligência em qualquer momento e qualquer lugar em que eles sejam necessários.
• Semântica: diz respeito à habilidade de extração de conhecimento dos mais variados objetos presentes na IoT. Em outras palavras, a semântica cuida da descoberta e uso inteligente dos recursos, possibilitando a oferta de determinado serviço. A semântica também efetua o reconhecimento e análise dos dados para realizar corretamente a tomada de decisões. Exemplos de tecnologias empregadas: Resource Description Framework (RDF), Web Ontology Language (OWL) e Efficient XML Interchange (EXI).

Três tipos de aplicações da IoT foram definidos para explicar seu funcionamento ao usuário final: quando ela é incorporada à rotina do consumidor; a aplicação em negócios e serviços, em que a tecnologia se torna mais acessível e tangível ao consumidor, incluindo o surgimento de novos modelos de negócios e produtos-serviços híbridos; e a aplicação industrial, em que a tecnologia é invisível ao consumidor final. Esta última aplicação chama a atenção pela Indústria 4.0 e é tema central deste trabalho.

2.2.8 Aplicações IoT

A IoT altera o modo como vivemos, trabalhamos e aprendemos. É o início de um ciclo de renovação tecnológica que auxiliará na otimização e automatização de tarefas cotidianas básicas. Além disso, traz informações importantes para o benefício público, e para empresas privadas poderem ser mais assertivas nos seus produtos e serviços prestados. A conexão virtual de dados, pessoas, processos e coisas, cria um mundo de novas oportunidades econômicas, entre as quais ao nível das Smart Cities, Smart Homes, Segurança & Emergências, retalho, logística, controle industrial (IIoT), eHealth (LIBELIUM, 2015). Para Kash (2014), alguns exemplos práticos da aplicação da IoT são:

• Sistemas de estacionamento inteligente para as cidades irão fornecer visibilidade em tempo real sobre a disponibilidade de lugares de estacionamento em toda a cidade;
• O teletrabalho elimina o trajeto diário do local de trabalho, permitindo que os colaboradores trabalhem a partir de casa. Em locais remotos reduz custos e melhora a produtividade para empregadores e empregados. Os impactos resultam na redução de gastos com funcionários, manutenção e limpeza de escritório, maior retenção de funcionários, aumento de produtividade e novas oportunidades de emprego, sem ferir direitos trabalhistas;
• Soluções de transporte inteligente aceleram fluxos de tráfego e reduzem o consumo de combustível;
• Redes elétricas inteligentes conectam de forma mais eficiente os recursos renováveis, melhoram a confiabilidade do sistema e os seus consumidores são cobrados com base na eficiência da operação;
• Através de medicina inteligente, os médicos e hospitais podem receber e organizar dados vindos de dispositivos médicos conectados, incluindo wearables e monitores de saúde instalados nas casas dos pacientes. Ao receber os dados em tempo real, os profissionais de medicina obtêm assim informação mais completa dos seus pacientes, melhorando o atendimento através de diagnósticos e tratamentos mais eficazes;
• Sensores de monitorização de máquinas, diagnosticam e preveem problemas pendentes de manutenção e falta de estoque (KASH, 2014).

Um estudo realizado pela IoT Analytics (LUETH, 2015), mensurou o que as pessoas pesquisam no Google, o que falam no Twitter, e sobre o que escrevem no Linkedin sobre IoT. Concluiu-se então que as Smart homes, onde se incluem os termostatos inteligentes, luzes conectadas, frigoríficos inteligentes, e fechaduras inteligentes, foi naquele momento a aplicação de IoT com maior relevância.

Segundo Klein (2015), nos Estados Unidos, um estudo estimou em 2015 que 68% dos entrevistados estão confiantes de que as Smart homes seriam tão comuns dentro de um intervalo de 10 anos, como os Smartphones o são nos dias de hoje. O custo de possuir uma casa é a maior despesa na vida de um proprietário, o que significa que as habitações consomem a maior parte do orçamento de uma pessoa comum, chegando aos 33% das suas despesas anuais. Dessa maneira, as Smart homes prometem economizar tempo, energia e dinheiro para os seus proprietários.

Dos atuais pioneiros na utilização de Smart homes, 45% afirmam que conseguem poupar mais de mil dólares por ano, e 87% dizem que as suas vidas passaram a ser bastante mais facilitadas (KLEIN, 2015).

2.2.8.1 Smart Homes

As casas inteligentes (Smart Homes) são compostas de múltiplos dispositivos embutidos com sensores e conectividade com objetivo de fornecer maior conforto, segurança e otimização de recursos para os seus proprietários. Uma Smart Home pode ser definida como um ambiente onde dispositivos eletrônicos de diferentes tipos são interligados através de uma rede, com o objetivo de oferecer serviços inteligentes aos habitantes daquela residência (RIBEIRO, 2019).

Para Ribeiro (2019) uma casa é considerada inteligente quando é dividida em sistemas que agrupam os dispositivos inteligentes que a compõem de acordo com a função que esses equipamentos desempenham no ambiente doméstico, alinhado ao controle integrado de pelo menos dois dos sistemas a seguir:

• Controle do ambiente: Dispositivos inteligentes de controle de temperatura, umidade e condições climáticas do ambiente, como termostatos, cortinas, alarmes de fumaça, umidificadores de ar e aparelhos de ar-condicionado.
• Energia: Dispositivos cuja função é otimizar o consumo de energia da casa, como medidores para consumo de eletricidade, água, gás e sistemas de iluminação inteligentes.
• Segurança: Dispositivos de segurança contra ameaças externas, como câmeras, sensores de movimento e travas ou alarmes contra intrusos.
• Saúde e Bem-estar: Dispositivos, geralmente portáteis, que monitoram parâmetros relacionados à saúde dos proprietários.
• Entretenimento: Sistemas composto pelos equipamentos de lazer da casa, como televisões inteligentes, home theaters e equipamentos de som.

Além disso, a smart home deve fornecer a possibilidade de acesso aos dados provenientes desses sistemas de forma remota, para que o usuário possa visualizar e ajustar certos parâmetros sem a necessidade de estar presente no ambiente doméstico (RIBEIRO, 2019).

Figura 9 – Smart Home integrada

Nesse contexto, uma Smart home facilita a vida dos seus proprietários, podendo ter facilidades desde controlar à distância o ar-condicionado, as luzes e a máquina de lavar através do celular, além de aplicações como (SANTOS, 2016):

• Frigoríficos inteligentes podem criar inventários automáticos de todos os produtos que contêm e verificar a existência de algum prazo de validade expirado, notificando desta forma o utilizador através do um aparelho conectado à rede.
• Uma máquina de café inteligente pode avisar quando fica sem água, ou quando necessita de uma limpeza.
• Termostatos inteligentes podem regular a temperatura da casa para uma temperatura agradável mesmo antes dos seus habitantes chegarem à casa vindos de um dia de trabalho.
• Controle inteligente de luzes permite agendar as horas a que determinadas luzes se acendem ou apagam, o nível de luz emitida, bem como regular a forma como as luzes reagem à detecção de movimento.

2.2.8.2 Smart cities

Nas cidades inteligentes (Smart Cities), semáforos inteligentes identificam o fluxo de veículos e pedestres em um dado cruzamento e otimizam o tempo de abertura do sinal a cada momento, enquanto detectores de ruídos podem identificar disparos de tiros e enviar rapidamente alarmes para as forças de segurança (BNDES, 2018).

A aplicação de Internet das Coisas nas cidades, conforme exposto na cartilha do BNDES (2018), pode trazer inúmeros benefícios aos cidadãos e à gestão pública, seja na área de transporte, segurança, seja na eficiência energética, entre outras. A IoT pode, por exemplo, viabilizar o monitoramento em tempo real dos movimentos na cidade, o que permite fundamentar de maneira mais concreta o desenvolvimento de políticas públicas, com base em maior quantidade de dados. A figura 3 detalha uma arquitetura da inserção de tecnologias da informação e comunicação (TICs) para Smart Cities:

Figura 10 – Arquitetura De Tics Em Uma Smart City

O esquema ilustra não apenas a integração tecnológica das soluções IoT, mas também sua inserção na infraestrutura e políticas urbanas. Assim, na camada inferior, estão representados os diferentes equipamentos ou infraestrutura que podem incorporar as soluções IoT, tais como avenidas, semáforos, postes de iluminação pública, redes de água e esgoto, entre outras (BNDES, 2018).

Em Smart Cities, há uma interação de dados de diferentes fontes em diferentes camadas. Ou seja, os dados gerados por dispositivos pessoais conectam- se à informação gerada pelos sensores de uma cidade inteligente, recebendo dados sobre, por exemplo, horários de transportes públicos, ou estradas com menor tráfego automóvel (SANTOS, 2016).

2.2.8.3 Industrial internet of Things (IIoT)

A Internet das Coisas Industrial (Industrial Internet of Things – IIoT) se refere a sensores, instrumentos e outros dispositivos interconectados em rede junto com aplicações industriais de computadores, incluindo manufatura e gerenciamento de energia. Essa conectividade permite a coleta, troca e análise de dados, potencialmente facilitando melhorias na produtividade e eficiência, bem como outros benefícios econômicos. A IIoT é uma evolução de um sistema de controle distribuído que permite um grau maior de automação usando a computação em nuvem para refinar e otimizar os controles do processo (BOYES et al.,2018).

Segundo a Synnex Westcon (2020), a IIoT consiste na aplicação de sensores conectados a dispositivos da indústria que permitem que plataformas de análises avançadas processem os dados produzidos por essas máquinas. Os dispositivos de IIoT podem variar desde minúsculos sensores ambientes a complexos robôs industriais capazes de integrar e automatizar toda a linha de produção em massa de uma empresa para rastrear a manutenção, a produtividade e até mesmo informações sobre pedidos e remessas em uma enorme rede multicamada. Na prática, uma fábrica que utiliza a IIoT passa a atuar de forma mais inteligente, sendo capaz de coletar e armazenar dados sobre a sua produção e compartilhá-los com outras máquinas. Esses dados são recebidos em tempo real pela gestão da empresa que pode tomar decisões mais assertivas ao identificar e corrigir falhas mais rapidamente. Dessa forma é possível realizar manutenções preventivas para reduzir custos, automatizar processos manuais, evitar períodos de indisponibilidade, além de aumentar a agilidade das operações e aprimorar o planejamento estratégico (SYNNEX WESTCON, 2020).

Figura 11 – Aplicações IIoT

2.2.8.4 Healthcare

A trinta anos atrás, o setor da saúde percebeu um fato simples: o monitoramento dos pacientes traz uma melhora sensível nos resultados do tratamento. Isso então motivou o surgimento de dezenas de dispositivos que estão presentes nos quartos de hospitais atualmente como: oxímetros de pulso, monitores de múltiplos parâmetros e monitores de eletrocardiograma, entre outros equipamentos. Esses dispositivos ajudam a equipe médica a oferecer um tratamento mais rápido e de melhor qualidade aos seus pacientes, sendo que a utilização de algoritmos inteligentes aperfeiçoou muitos desses dispositivos médicos, que antes tinham operação mais simples (RIBEIRO, 2019).

Healthcare é um conceito amplo que engloba a relação entre internet das coisas e todas as suas inovações tecnológicas que impactam a área da saúde. Meola (2016) aponta aspectos positivos na efetiva manutenção e equipamentos hospitalares através da IoT voltado ao campo da saúde. O acompanhamento da saúde em tempo real acontece com o monitoramento do paciente através de sensores externos e internos ao corpo humano alertando-os de possíveis variações danosas. Com isso, há a redução de gastos na saúde, tanto pública como privada, bem como podem ser reduzidos problemas mais graves através da prevenção monitorada, possibilitando o ganho na qualidade de vida para a sociedade como um todo.

Figura 12: Internet das Coisas aplicações em Saúde – Cuidados

2.2.8.5 Wearables

Como a definição de um dispositivo wearables (vestível) temos:

São componentes eletrônicos para comunicação de curta distância que, anexados ao vestuário ou diretamente sob o corpo, permitem realizar uma série de leituras de forma automática e discreta. Os dados coletados dos parâmetros corporais são remotamente enviados a um dispositivo móvel, preferencialmente smartphones com aplicativo dedicado que possa realizar diagnósticos de forma rápida e eficaz, este por sua vez pode acessar um servidor remoto e tornar a aplicação mais onipresente (FERRÃO, 2019).

Os wearables podem, nesse sentido, podem coletar informação do próprio corpo do usuário em virtudes sua interface de tela serem pequenas ou em alguns casos extensões conectadas aos Smartphones tendo funções como medir passos ou monitoramento cardíaco (PELLANDA, 2016).

Segundo Santos (2016), wearables podem ser objetos inteligentes como pulseiras, óculos ou relógios, que acompanham e registram a atividade física, como o exercício, comer, dormir, ou outras atividades, como a leitura etc. Os wearables têm sido altamente utilizados como uma tecnologia inovadora na área da saúde, pela sua capacidade em registar continuamente as estatísticas vitais e observações em tempo real como a pressão arterial remotamente. Eles têm a capacidade de monitorizar as condições de um paciente e notificar familiares, prestadores de cuidados médicos ou serviços de emergência conectados ao sistema de incidentes de riscos potenciais, como quedas, mudanças de dieta, ou mudanças de temperatura.

Um dos principais exemplos de internet das coisas são os smartwatch. Conectado ao smartphone via IoT, o smartwatch se torna extremamente prático. Isso porque não só otimiza as funções do celular, como também estende a sua capacidade. Sistemas de monitoramento de batimento cardíaco e de atividades físicas são bons exemplos disso.

Figura 13 – Dispositivos IoT wearables

2.2.8.6 IoT no cotidiano

A literatura atual sobre a Internet das coisas faz uma ponte das expectativas que o ser humano tem com a tecnologia do futuro baseado naquilo que se vive atualmente. Freitas (2016) traz a questão de que a vida no futuro dependerá veementemente do uso de tecnologias, citando o exemplo de como era a vida os personagens no desenho animado “Os Jetsons” da década de 1970:

A vida no futuro poderá ser como se fizéssemos parte do famoso desenho animado “Os Jetsons”, idealizado na década de 1970, onde o trabalho era automatizado, o criado era um robô e os eletrodomésticos eram inteligentes. Fazia parte também da rotina dos personagens a comunicação instantânea de voz e imagem, prevendo o que se tem hoje com a tecnologia de vídeo chamadas utilizando a Internet (FREITAS, 2016, p.10).

Em um dos seus simpósios anuais de novas tecnologias estratégicas, a multinacional estadunidense de consultoria de tecnologia de informação Gartner (2012), sugeriu que Internet das Coisas é um conceito que descreve como a Internet tende a aumentar sua relevância na medida que sensores e inteligência são adicionados a objetos e consequentemente conectados à Internet. Os principais elementos listados pela Gartner ligados à sensoriamento e objetos inteligentes conectados à internet inclui:

• Sensores embutidos: Sensores que detectam e comunicam mudanças estão sendo embutidos, não apenas em dispositivos móveis, mas em um número crescente de lugares e objetos.
• Reconhecimento de imagem: as tecnologias de reconhecimento de imagem se esforçam para identificar objetos, pessoas, edifícios, logotipos de lugares e qualquer outra coisa que tenha valor para consumidores e empresas. Smartphones e tablets equipados com câmeras levaram essa tecnologia de aplicações principalmente industriais para aplicações corporativas e de grande consumo.
• Pagamento de Near Field Communication (NFC): o NFC permite que os usuários façam pagamentos balançando o celular na frente de um leitor compatível. Uma vez que a NFC está incorporada em uma massa crítica de telefones para pagamento, setores como transporte público, companhias aéreas, varejo e saúde podem explorar outras áreas nas quais a tecnologia NFC pode melhorar a eficiência e o atendimento ao cliente.

Figura 14 – Aplicações IoT no cotidiano

3 TECNOLOGIAS UTILIZADAS

3.1 SISTEMAS EMBARCADOS

De acordo com Filho (2009), sistemas embarcados são dispositivos que estão presentes diariamente em nossas vidas, ainda que não constatemos sua presença. Esses equipamentos são dedicados a uma tarefa específica e utilizam sensores e atuadores para que possam interagir com o ambiente.

Um sistema embarcado pode ser definido como sistemas de processamento digital que possuem um software de controle específico, mais conhecido como firmware. Este programa é armazenado dentro da memória do circuito eletrônico que, por sua vez, é empregado em grande parte dos aparelhos eletrônicos da atualidade (FILHO, 2009).

3.1.1 ESP8266 NodeMCU

Segundo Oliveira (2016), hoje, para falar de qualquer plataforma embarcada / microcontrolada é necessário mencionar o Arduino antes de qualquer coisa. Isso porque desde seu lançamento em 2005, ele é a plataforma microcontrolada favorita dos makers e hobbistas. Mas o que algumas pessoas iniciantes no mundo IoT não sabem, é que o Arduino tem um concorrente bem a altura e com algumas características singulares, que fazem desta plataforma uma opção atrativa para certos projetos; o ESP8266 NodeMCU, outra plataforma de desenvolvimento muito empregada em muitos projetos assim como o Arduino (OLIVEIRA, 2016).

ESP8266 é o nome de um microcontrolador projetado pela Espressif Systems. Ele anuncia a si mesmo como uma solução de rede Wi-Fi independente, oferecendo-se como uma opção de microcontrolador com conexão à internet, também com capacidade de executar aplicações independentes (KOLBAN, 2016).

Figura 15 – ESP8266 NodeMCU

O NodeMCU, Figura 15, é uma plataforma open source da família ESP8266 criado para ser utilizado no desenvolvimento de projetos IoT. Esta placa foi iniciada em 2014 e é bastante interessante, pois, ao contrário de alguns módulos desta família que necessitam de um conversor USB (Universal Serial Bus) serial externo para que haja troca de informações entre computador e o módulo, o NodeMCU já vem com este conversor integrado (OLIVEIRA, 2016).

Esta plataforma é composta basicamente por um chip controlador (ESP8266 ESP-12E), um porta micro USB para alimentação e programação, conversor USB serial integrado e já possui Wi-Fi nativo (OLIVEIRA, 2016).

Conforme Oliveira (2016), abaixo, você pode ver as principais características do NodeMCU:

Na Figura 5 a seguir, você pode acompanhar uma breve descrição da composição da placa:

Figura 16 – Composição do NodeMCU

Conforme dito anteriormente, o NodeMCU possui características singulares que o fazem se destacar, como por exemplo seu baixo custo, suporte integrado a redes Wi-Fi, tamanho reduzido e baixo consumo de energia. Portanto, se você está desenvolvendo um projeto que necessite de comunicação entre dispositivos através de uma rede Wi-Fi, com certeza o NodeMCU te atenderá bem e você gastará bem menos do que gastaria ao utilizar o Arduino (OLIVEIRA, 2016).

Uma das grandes vantagens em utilizar plataformas baseadas no ESP8266, é a possibilidade de se programar utilizando a IDE (Integrated Development Environment) do Arduino. Assim como em outras placas da família ESP8266, o NodeMCU também é compatível com esse ambiente de desenvolvimento (OLIVEIRA, 2016).

3.1.2 Ambiente de programação do ESP8266

Para que se possa configurar esses pinos, a empresa Arduino disponibiliza uma IDE para que o programador desenvolva o código e em seguida transfira para a memória interna da placa para que testes possam ser efetuados. A IDE permite que assim que a placa seja conectada e o programa for inicializado drivers sejam instalados para que a placa possa funcionar da maneira correta, desde que os drivers estejam na pasta apropriada, facilitando assim a utilização pelos usuários.

Funções e ações podem ser desenvolvidas através do programa, que permite selecionar qual porta está conectada a placa em questão no computador para que o arquivo possa ser enviado para a memória interna. (MONK, 2013). Isso se deve ao fato de que se pode conectar diversas placas em um mesmo computador, e fazer a edição e envio de diversos programas diferentes para as placas. A IDE também sinaliza quando esta etapa de envio do código para a placa foi feita correta ou incorretamente.

Dentre diversas opções, é possível também selecionar algum programa pré- programado para ser enviado à memória para que possam ser feitos testes, economizando tempo e permitindo identificar um possível erro de forma rápida.

A Figura 17 mostra a tela inicial da IDE no momento que é inicializada pela primeira vez, mostrando os dois laços de repetição primários: setup e loop.

Figura 17 – IDE do Arduino

O laço de repetição “setup” é a primeira iteração do programa. Nesta função devem ser colocadas as variáveis e as definições da placa, como pinos que serão utilizados como sensores ou atuadores. Este laço é executado apenas uma vez (JAUOD, 2015).

O laço de repetição “loop” funciona de maneira parecida, porém ele não para após a primeira iteração. Quando o “setup” termina de executar as instruções, o “loop” executa em sequência de forma contínua, repetindo os códigos que estiverem dentro das chaves. Por ser uma repetição infinita, o programador deve tomar cuidado ao desenvolver o seu código para que não se tenham laços de repetição infinitos. Existe um dispositivo dentro da placa chamado Watchdog Timer que foi desenvolvido para impedir que esse tipo de travamento aconteça. Ele identifica quando existe esse tipo de travamento e reinicia automaticamente o microcontrolado.

É interessante informar que essa IDE não está limitada somente a placas da empresa Arduino. Ela permite a implementação de código para qualquer microcontrolado.

3.2 PLATAFROMA BLYNK

Blynk é um serviço baseado em um aplicativo personalizável que permite controlar remotamente um hardware programável, bem como reportar dados do hardware ao aplicativo. Desta forma, é possível construir interfaces gráficas de controle de forma rápida e intuitiva e que interagem com mais de 400 placas de desenvolvimento, em sua maioria baseadas em Arduino (SERRANO, 2018).

O serviço da plataforma blynk é composto por três partes principais, o aplicativo, o servidor e suas bibliotecas, que formam sua estrutura e possibilitam seu funcionamento, conforme a Figura 17 a seguir.

Figura 18 – Estrutura do Blynk

O Blynk foi desenvolvido para ser utilizado em projetos IoT que é um termo utilizado para descrever a forma como objetos do mundo real permanecem conectados à rede e podem ser acessados através da internet (OLIVEIRA, 2017).

3.2.1 Aplicativo Blynk

O aplicativo Blynk é um software disponível para Android e iOS (sistema operacional móvel da Apple) que permite ao usuário criar aplicações que interagem com o hardware. Por meio de um espaço próprio para cada projeto, o usuário pode inserir Widgets (ferramentas) que implementam funções de controle (como botões, controles deslizantes e chaves), notificação e leitura de dados do hardware (exibindo em displays, gráficos e mapas) (SERRANO, 2018).

O aplicativo também possibilita ao usuário criar interfaces de controle de forma simples, onde é necessário apenas arrastar os widgets e em poucos passos fazer a configuração (OLIVEIRA, 2017).

Figura 19 – Exemplo de aplicações Blynk

3.2.2 Servidor Blynk

O Blynk Server, onde toda comunicação entre o aplicativo e o hardware do usuário é realizada por meio do cloud (nuvem) Blynk, o servidor é responsável por transmitir os dados ao hardware, armazenar estados do aplicativo e do hardware e armazenar dados de sensores lidos pelo dispositivo físico mesmo se o aplicativo estiver fechado. Vale ressaltar que os dados armazenados no servidor Blynk podem ser acessados externamente por meio de uma API HTTP, o que abre a possibilidade de utilizar o servidor para armazenar dados gerados periodicamente, tais como parâmetros da leitura realizada por sensores de temperatura ou umidade, por exemplo (SERRANO, 2018).

O servidor Blynk é responsável por todas as comunicações entre o dispositivo móvel e a plataforma. Você pode usar o Blynk Cloud ou executar um servidor Blynk em sua máquina local. Esse servidor pode trabalhar com diversos dispositivos, inclusive pode rodar em um Raspberry Pi (OLIVEIRA, 2017).

Figura 20 – Exemplo do servidor Blynk

3.2.3 Bibliotecas Blynk

Blynk Libraries, finalmente, ao lado do hardware estão as bibliotecas Blynk para diversas plataformas de desenvolvimento. Essas bibliotecas são responsáveis por gerir toda a conexão do hardware com o servidor da plataforma e gerir as requisições de entrada e saída de dados e comandos. A forma mais fácil e rápida é utilizá-la como bibliotecas Arduino, no entanto, é possível obter versões da biblioteca para Linux, Raspberry Pi, Python, Lua, entre outras (SERRANO, 2018).

Há bibliotecas para todas as plataformas mais populares e compatíveis com o Blynk, permitindo assim, a comunicação com o servidor na nuvem ou local, processando todos os comandos de entrada e saída (OLIVEIRA, 2017).

3.3 PERIFÉRICOS

Os dispositivos periféricos são componentes que se juntam a um componente central para lhe conceder mais funcionalidades. Neste tópico, serão estudados alguns dos dispositivos periféricos utilizados no módulo ESP8266 NodeMCU, dando- lhe mais funcionalidades do que as que já possui.

3.3.1 Sensores

Sensores são componentes periféricos que detectam grandezas físicas do ambiente e as traduzem em um sinal elétrico, perceptível por um controlador (CITISYSTEMS, 2021). Segundo a natureza da grandeza a ser medida, um tipo de princípio físico-químico é utilizado. Da mesma forma, o sinal de saída dos sensores, tende a ser compatível com o controlador que o monitora. Dependendo da aplicação, os sensores podem ser mais ou menos complexos, pois cada foco de estudo tem sua gama de princípios e sensores distintos.

3.3.2 Sensor por ultrassom

Sensores ultrassônicos são sensores que usam ondas sonoras para detectar um objeto. Seu princípio de funcionamento consiste em emitir ondas sonoras que são refletidas quando atingem um objeto, voltando ao sensor. O tempo que a onda sonora demora para refletir no objeto e retornar ao sensor é calculado e utilizado para determinar a distância do objeto. Dessa forma, os sensores ultrassônicos podem detectar a distância em que um objeto se encontra e não apenas sua presença (THOMSEN, 2011).

O som é classificado em grupos de categorias diferentes, dependendo de frequências:

a) Infrassom, menor que 16Hz;
b) Som audível, entre 16Hz e 20kHz;
c) Ultrassom, entre 20 kHz e 1GHz;
d) Hipersom, maior que 1 GHz.

Os sensores ultrassônicos operam na faixa entre 125 kHz a 400 kHz. Isso explica o porquê de o som não ser audível.

Um sensor ultrassônico muito utilizado em aplicações com microcontroladores é HC-SR0416, apresentado na Figura 49 junto com seu princípio de funcionamento, aplicação, diagrama de conexão e código para sua leitura.

Figura 21 – Sensor ultrassônico HC-SR04, com diagrama de conexão e princípio de funcionamento

3.3.3 Relé Eletromagnético

O Módulo Relé permite integração com muitos sistemas microcontroladores, dentre estes: Arduino, AVR, PIC, ARM, RaspberryPI. O módulo tem a presença de um opto acoplador, componente capaz de isolar uma região da outra, funcionando como um sistema de segurança que em casos de sobretensões protege o sistema microcontrolador (USINAINFO, 2021).

A partir das saídas digitais pode-se, através do relé, controlar cargas maiores e dispositivos como motores CA ou CC, eletroímãs, solenoides e lâmpadas. Estes módulos têm opções com vários canais, sendo assim concebido para integrar e controlar inúmeros relés. O módulo é equipado com um relé de alta qualidade, com carga nominal 10A/250VCA, 10A/125VCA, 10A/30VCC. Cada canal possui um LED para indicar o estado da saída do relé (FILIPEFLOP, 2021).

Figura 22 – Módulo relé 6 canais

3.3.4 Servo Motor

Os servos são atuadores projetados para aplicações onde é necessário fazer o controle de movimento com posicionamento de alta precisão, reversão rápida e de alto desempenho. Eles são amplamente usados em robótica, sistemas automatizados, máquinas CNC e em outras diversas aplicações (MATTEDE, 2021).

Os servos motores apresentam diferenças em relação aos demais tipos de motores, pois eles possuem um sensor e um controlador de posição incorporados. Com isso, o sinal de comando que se emite ao servo motor é uma referência desejada de posição, tratando-o de se posicionar nessa referência e lá se manter, independente do que ocorra com a carga.

A Figura 23 apresenta o princípio de funcionamento do servo motor e seu diagrama de ligação com o módulo ESP8266 NodeMCU.

Figura 23 – Princípio de funcionamento e diagrama de ligação de servo motor com módulo.

O sinal de comando emitido ao servo motor é um sinal PWM, onde o duty cycle (razão percentual entre o tempo do sinal em alto pelo tempo do ciclo do sinal) é interpretado como o range em graus de deslocamento desejado do servo motor. Como exemplo, o sinal PWM tem duty cycle de 0 a 100%, o que corresponde a um ângulo de 0° a 180°.

3.3.5 Interruptores

O interruptor é um dispositivo simples criado para ser utilizado na abertura de circuitos elétricos ou eletrônicos. Basicamente na maioria das situações que envolvem o acionamento ou desligamento de energia elétrica em circuitos de força ou comando ele está presente, além de ser o princípio do funcionamento de transistores.

O médico Golding Bird (1814-1854) havia criado primeiramente um interruptor para si, utilizado para aplicar eletrochoques nos pacientes a partir de uma célula voltaica por uma bobina de indução. A ideia veio das dificuldades da utilização dos interruptores mecânicos, que ocupavam as mãos do médico em uma rotação manual de uma roda dentada, assim o faziam precisar de um assistente para o

trabalho. Com a invenção desse dispositivo, Bird visava a libertação das mãos do médico na utilização de interruptores, um grande auxílio na época (BIRD, 1838).

Figura 24 – Interruptor

3.3.6 Medidores de energia eletrônicos

Segundo Paula (2013), os medidores eletrônicos podem ser divididos em três tipos, sendo que cada um deles dominou o mercado em sua respectiva geração. Entre os anos de 1970 e 1980, os medidores eletrônicos apareceram no mercado fazendo o uso de circuitos discretos. Posteriormente, esses foram substituídos pelos medidores com a tecnologia DSPs (Digital Signal Processor). Atualmente, os medidores eletrônicos comerciais que estão difundidos em todo o mundo são os baseados em circuitos integrados dedicados (NBR14519, 2008).

Um medidor de energia eletrônico conta com transdutores de tensão e de corrente, que são os responsáveis pela aquisição e adequação dos sinais de entrada que, posteriormente, são multiplicados. A principal função do multiplicador é determinar a potência instantânea por meio da multiplicação dos sinais de tensão e de corrente vindo dos transdutores. Após a obtenção do valor da potência instantânea, a energia é obtida pela integração deste valor, realizada pelo integrador. Com a parcela final, o valor da energia é representado no registrador (SILVA, 2010).

Na Figura 25, desenvolvida por Silva (2010), é possível visualizar o diagrama de blocos de um medidor eletrônico convencional.

Figura 25 – Diagrama de Blocos do Medidor Eletrônico

Comparado aos medidores eletromecânicos, os medidores eletrônicos garantem uma maior precisão, por realizam as leituras das variáveis utilizando amostras em pequenos intervalos de tempo, através de conversores analógico para digital (A/D) (PAULA, 2013). Na Figura 23 é demonstrado um medidor eletrônico.

A Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL), por meio da resolução 456 de 2000, especifica que no Brasil a forma dos tributos a serem cobrados é dividido em dois grupos de consumidores, sendo o grupo A e o grupo B. Este primeiro grupo é constituído por estabelecimentos que se enquadram no conceito de alta tensão, necessitando de uma tensão superior ou igual a 2,3 kV ou unidades consideradas subterrâneas.

O grupo B, no entanto, é composto por unidades consumidoras com tensão de fornecimento inferior a 2,3 kV. Na Tabela 2 pode-se verificar com mais detalhes essa distribuição de ambos os grupos de consumidores de acordo com a ANEEL.

3.3.7 Sensor de Chuva

O Sensor de Chuva YL-83 (Fig. 26) pode ser usado para monitorar uma variedade de condições climáticas desde gotas de chuva a flocos de neve. Este conjunto é formado por uma placa de material condutor que forma o sensor propriamente dito com várias trilhas nos dois lados e um material resistente à oxidação, que se encarrega de detectar o nível de chuva/umidade do ambiente. Esta placa, por sua vez, é ligada por meio de 2 fios ao módulo principal, que contém o circuito de controle que vai se comunicar com o microcontrolador.

Figura 26 – Sensor de chuva YL-83

Quando o clima está seco, a saída do sensor mantém-se em estado alto (nível lógico 1) e quando há uma gota de chuva, a saída mantém-se em estado baixo (nível lógico 0). O limite entre tempo seco e chuva pode ser ajustado através de um potenciômetro posicionado entre o sensor e a saída digital do microcontrolador, mas é possível utilizar a saída analógica A0 que dispõe de um conversor AD para ter uma resolução melhor e definir diferentes níveis de intensidade da chuva.

Assim, existem 2 formas bem simples de se trabalhar com esse sensor de chuva. Uma delas é utilizando a saída digital, que simplesmente informa se foi detectada chuva/líquido ou se o sensor está seco. E a outra maneira é utilizar a saída analógica, cujo valor varia de 0 a 1023 (resolução de 10 bits) proporcionalmente à tensão de entrada que pode ser de 3,3 a 5 V, e então dimensionar o que o usuário pretende fazer com esse valor, indicando em um painel, por exemplo, se não há chuva ou se ela está fraca, forte ou moderada (THOMSEN, 2014).

3.3.8 Sensor DHT 11

O DHT 11 é um sensor que mensura a temperatura e umidade do ambiente ao qual está alocado. Possui um baixo consumo de corrente e é composto por um sensor de umidade capacitivo, um termistor e, também, um conversor analógico/digital para uma eventual comunicação com algum tipo de controlador (ARDUINO E CIA, 2015).

Algumas informações pertinentes ao sensor.

• Faixa de Leitura – Umidade 0 – 100%
• Precisão Umidade 5%
• Faixa de leitura – Temperatura -40 – 125 ºC
• Precisão – Temperatura +/- 0,5 ºC
• Intervalo entre medições 2 s

A figura 27 representa o esquema de pinagem do sensor e sua ilustração.

Figura 27 – Diagrama de Pinos do Sensor DHT11

4 DESENVOLVIMENTO

Este trabalho se propõe a criar a integração entre o aplicativo Blynk, um ESP8266 NodeMCU e um conjunto de sensores e um led de modo que sirva como protótipo inicial e exemplar para aplicações de IoT.

Figura 28 – Estrutura exemplo do projeto

A ideia é integrar todos esses dispositivos, e a partir disso, trocar informações com o sistema pelo app. Os dados dos sensores poderão ser consultados por meio do aplicativo na tela do smartphone desenvolvidos neste trabalho.

Da mesma forma, também será possível ligar e desligar o led, que representa um dispositivo de saída. O conjunto de instruções e comandos são realizados utilizando o servidor Blynk para o aplicativo.

O aplicativo Blynk permite que o usuário crie seu próprio “aplicativo” personalizável com uma variedade de funções para o controle da entrada e saída de dados, são botões, displays, medidores, blocos de instruções, eventos programáveis, timers, dentre outras possibilidades virtuais. Por isso, foi a opção ideal para o projeto, por possibilitar uma aplicação que seja distinta, em relação a outras opções.

Neste trabalho foi utilizado um LED como representação de carga, portanto, a mesma saída também poderia ser utilizada para o acionamento de lâmpadas, persianas automatizadas, portões eletrônicos, toldos, enfim, o que cada aplicação exigir. O projeto ainda inclui sensores de chuva, temperatura e umidade para a entrada de dados, e o microcontrolador utilizado é o ESP8266 NodeMCU.

O software utilizado para o desenvolvimento da programação é o Arduino IDE, que é um ambiente integrado de desenvolvimento, por meio dele é possível realizar a comunicação com o ESP8266 NodeMCU utilizando a linguagem de programação C/C++ por meio de seus comandos e instruções.

O primeiro passo para o desenvolvimento do código é a adição das bibliotecas que irão executar conjuntos de instruções específicas para a aplicação desejada, seja a conexão com a rede, leitura dos sensores etc. Neste projeto foram utilizadas as seguintes bibliotecas: ESP8266WiFi.h, BlynkSimpleEsp8266.h, SimpleTimer.h e DHT.h. Essas bibliotecas executam funções de conexão com a rede Wi-Fi, onde é possível adicionar a rede local e senha, conexão com o servidor Blynk para que o projeto esteja conectado ao serviço de nuvem da plataforma, tempo para interação em milésimos de segundo e leitura do sensor de temperatura e umidade Dht11, respectivamente, conforme a Figura 29 a seguir.

Figura 29 – Seção de bibliotecas

Definidas as bibliotecas, agora serão introduzidos os primeiros comados de configurações para o projeto, são comandos para exibição do status do projeto, definição dos pinos do ESP8266 que serão utilizados e tipo de sensor, esses comandos estão demonstrados na Figura 30.

Figura 30 – Seção de definições

O comando BLYNK_PRINT Serial envia para o monitor serial do Arduino IDE o status do projeto em relação a conexão com a rede Wi-Fi e informações como o IP resultante dessa conexão, o status de conexão com o servidor Blynk, exibindo também a porta de acesso. Tudo isso conforme exibido na Figura 31 a seguir.

Figura 31 – Tela do monitor serial iniciando

Já os demais “#define” da Figura 30, são para nomeações referentes aos pinos do ESP8266, o “LED_Red” foi definido para o pino 4 do ESP8266, que corresponde ao pino D2 na placa NodeMCU, que será utilizado para acender e apagar um Led vermelho do projeto. O “pinSensorD” foi definido para o pino 12, que corresponde ao pino D6 do NodeMCU, este será utilizado para o sensor de chuva que passa informações digitais, ou seja, 0 ou 1.

O “DHTPIN” foi definido para o pino 14, correspondente ao pino D5 da placa, este será utilizado para a leitura do sensor de temperatura e umidade que informa valores referentes a seus parâmetros de medição. Por fim, o “DHTTYPE DHT11” está informando para a sua biblioteca o modelo ou tipo de sensor que está sendo empregado, isso garante que a leitura seja feita de maneira apropriada, evitando distorções no valor final obtido.

Seguindo no código, estão apresentadas outras configurações iniciais para o projeto.

Figura 32 – Comandos iniciais complementares

O comando “WidgetLED” apresentado na Figura 32, atribui o nome Led1 para o pino Virtual V8, um pino virtual serve como saída na tela do aplicativo Blynk, dessa vez, ao invés de um Led físico junto ao ESP8266, apenas será ligado um LED virtual na tela do aplicativo, esse LED servirá para informar a leitura do sensor de chuva, ou seja, LED virtual ligado sinal de chuva, desligado, não há chuva.

O próximo comando, “DHT” atribui o nome dht ao sensor de temperatura e umidade informando para a biblioteca o pino de leitura e o modelo do sensor.

O comando “BlynkTimer” atribui o nome timer para sua função, sendo assim, “timer” passa a exercer as instruções adicionadas a sua biblioteca. O “timer” funcionará como uma espécie de relógio do projeto, podendo ser utilizado para temporizar ações dentro do código.

Em seguida, estão o token do projeto que é uma chave de acesso único ao projeto junto ao Blynk e os comandos para conexão com a rede Wi-Fi, conforme a Figura 33.

Figura 33 – Configurações de servidor e rede

O char “auth[]” recebe a chave de acesso Blynk, também chamada de token que é gerado no aplicativo ao iniciar um novo projeto. Já o “char ssid[]” recebe o nome da rede Wi-Fi ao qual o projeto estará conectado. O “char pass[]” recebe a senha da rede Wi-Fi. Esta é a etapa responsável por conectar o NodeMCU à internet, se a conexão for bem-sucedida, o monitor serial apresentará uma mensagem de confirmação conforme exibido anteriormente na Figura 31.

Observação: É importante conferir se os caracteres estão escritos de forma correta para evitar erros de conexão.

Agora, iniciará a seção das funções desenvolvidas para a leitura dos sensores de chuva, temperatura e umidade e para o acionamento de um LED.

A primeira função será a void Chuva( ) exibida na Figura 34, dentro da função está inserida uma condição “if” para a verificação do sensor, se a leitura “digitalRead” do pinSensorD for um valor alto (positivo), isso é um sinal de que o sensor está enxuto, não há água, portanto não está chovendo. Quando isso acontece, o comando “Led1.off( );” é ativado, esse comando desativa o LED virtual na tela do aplicativo blynk. Caso contrário, ou seja, se o valor lido for diferente de positivo, isso indica que o sensor foi ativado por água em sua superfície, sendo assim, é ativado o comando “Led1.on( );”, esse comando aciona o LED virtual na tela do app, indicando que está chovendo

Figura 34 – Função void Chuva ( )

A próxima função apresentada será a void Temp( ), conforme Figura 13. Nesta função serão realizadas as leituras do sensor DHT, ele retornará os valores da temperatura e umidade, para isso, deve-se começar definindo “h” como variável do tipo float para receber o valor de leitura da umidade, por meio do comando “dht.readHumidity( )”, o valor retornado é atribuído a “h”, o mesmo se segue para “t” que receberá os valores referentes a temperatura, por meio do comando “dht.readTemperature( )”. Em seguida, é adicionado a condição “if” para informar caso o sensor não esteja conseguindo realizar a leitura. O comando “isnan( )” verifica se está chegando algum valor não numérico, caso seja verdadeiro, ele retorna true, do contrário, false, dessa forma, se retornar true será apresentada no monitor serial a seguinte mensagem “Falha ao ler o sensor DHT!”. Por fim, o comando “Blynk.virtualWrite(V6, h)” atribui o valor da umidade ao pino Virtual “V6” para que possa ser consultado na tela do aplicativo, ele é feito no comando “Blynk.virtualWrite(V5, t)”, onde o valor da temperatura é enviado para o pino virtual “V5” no aplicativo.

Figura 35 – Função void Temp ( )

A função a seguir, apresentada na Figura 36, será utilizada para acender e apagar o LED do projeto, o qual serve como exemplo para o acionamento de outras saídas do ESP8266.

Figura 36 – Função BLYNK WRITE (V1)

Essa função é própria da biblioteca Blynk, e será utilizada para se conectar ao pino virtual “V1” no app. Dentro dela, está definido “pinValue” como variável do tipo int (inteiro). O comando “param,asInt( )” é responsável por coletar as informações

introduzidas ao V1 por meio do aplicativo, neste caso, o V1 foi configurado para enviar apenas 0 ou 1 por meio de um botão virtual, portanto, o comando “digitalWrite( )” irá ativar ou desativar a saída “LED_Red” de acordo com o valor de “pinValue”, sendo 0 para apagar o LED, e 1 para acendê-lo.

Em seguida, está a função “void setup( )”, apresentada na Figura 37. Ela é própria do Arduino IDE, e serve para definir parâmetros em relação a entrada e saída de dados, e para executar as demais instruções de inicialização das bibliotecas e outros comandos inseridos no programa.

Figura 37 – Função void setup ( )

Dentro da função de setup, está o comando “serial.begin(9600)”, ele inicia as instruções de comunicação serial e define o valor de bits por segundo para tal. Nesta aplicação, se utiliza (9600) bits por segundo para a comunicação serial. Em seguida, utiliza-se o comando “pinMode(pinSensorD, INPUT);” para definir “pinSensorD” como entrada de sinal que será empregado para armazenar os dados do sensor de chuva. O mesmo comando é atribuído ao “LED_Red”, mas, para torná-lo uma saída, (OUTPUT), é por meio dele que vamos ligar o LED como demonstração de carga do projeto. O próximo comando, “digitalWrite(LED_Red, LOW)” está desligando a saída do LED, para que o mesmo inicie desativado.

Em seguida, estão os comandos “Blynk.begin( )” e “dht.begin( )” que são utilizados para inicializar as instruções de suas respectivas funções para que seus comandos ao longo do código possam funcionar corretamente. Concluindo o setup, o comando “timer.setInterval( )”, é aplicado para chamar as funções “void Temp” e “void Chuva” a cada (1000L) ou mil milissegundos, para que os dados dos sensores possam ser enviados constantemente ao aplicativo.

A última seção do código é a que corresponde ao “void loop( )” conforme a Figura 38 a seguir.

Figura 38 – Função void loop ( )

Dentro do loop existem dois comandos, o primeiro “Blynk.run( );” é responsável por executar as rotinas de instruções para manter o programa sempre conectado ao seu servidor, possibilitando o envio e recebimento de dados. O segundo comando, “timer.run( );” é quem executa as instruções referentes aos temporizadores definidos no código, assegurando que os intervalos de tempo sejam executados de maneira correta.

A Figura 39 a seguir, apresenta em sequência as telas (itens 1, 2, 3 e 4) para o desenvolvimento do aplicativo que será utilizado no projeto. No item 1, está exibida a tela de definição das configurações iniciais, nome do projeto e escolha do dispositivo ESP8266 (WiFi). O item 2 apresenta a tela do projeto, esse é o campo aberto onde podem ser inseridos os elementos que serão adicionados por meio do botão (+) no canto superior direito da tela. O item 3 apresenta alguns dos elementos que podem ser adicionados ao projeto, entre eles estão botões, controles deslizantes, temporizadores, medidores, dentre outros. Por fim, o item 4 apresenta o projeto com os elementos já adicionados, um medidor para temperatura, um medidor para umidade, um botão para o acionamento do LED e um LED virtual para indicação de chuva.

Figura 39 – Configurando o aplicativo Blynk

Em seguida, é necessário configurar cada elemento adicionado, atribuindo as variáveis correspondentes aos sensores e ao botão.

A Figura 40, apresenta as telas de configuração para os seguintes elementos: medidor de temperatura (item 1), medidor de umidade (item 2), botão de acionamento do LED (item 3), e LED virtual indicador de chuva (item 4).

Figura 40 – Configurando as ferramentas do projeto Blynk

No item 1, é atribuído o nome temperatura para o medidor, em seguida se adiciona o pino virtual correspondente à temperatura (V5) e é definido o range de atuação do medidor. Neste caso, foi estabelecida a variação de 0 à 50 graus celsius e adicionado o símbolo indicador de temperatura nessa escala (ºC). Por último, ao escolher a cor de apresentação do medidor como branco e o tempo de envio de dados para 1 sec (1 segundo), ou seja, o valor da temperatura será atualizado na tela do aplicativo a cada segundo.

Semelhante ao item 1, no item 2 foi adicionado o nome umidade para o medidor. O pino virtual correspondente é o pino virtual (V6), seu range de atuação varia de 0 à 100 por cento, que é o nível de umidade relativa do ar, adiciona-se o símbolo (%) para indicação dos valores. Em seguida é escolhida a cor azul para o medidor, e definido o tempo de atualização para um segundo.

No item 3, é estabelecido o nome LED para o botão, e adicionado o pino virtual correspondente ao LED do projeto (V1), em seguida, estão definidos os valores que serão enviados para o desligamento ou acionamento do led, que são, 0 e 1 respectivamente. Também é possível optar pela função “switch” do botão, que serve para manter o botão retido naquele estado até o próximo clique. Por fim, atribuem-se as cores para cada estado do botão, o botão irá permanecer branco e com indicação OFF quando o LED estiver desligado e vermelho com indicação ON quando o LED estiver ligado.

No item 4, a configuração para o LED virtual indicador de chuva é realizada definindo se o pino virtual que corresponde ao sensor de chuva (V8) e determinando a cor do LED como azul, para ser apresentado na tela do aplicativo. Com o aplicativo configurado, a etapa seguinte consiste na montagem e ligação elétrica dos componentes, eles foram conectados conforme apresentado na Figura 41.

Figura 41 – Esquema de ligação elétrica do projeto

Em síntese, ao realizar a montagem e carregar o código com a programação para o ESP8266 NodeMCU, ele já estará disponível para enviar os dados do projeto para o servidor do Blynk, de modo que possam ser acessados pelo aplicativo ou pela assistente pessoal.

5 CONCLUSÃO

Tendo em vista a proposta primária do projeto, realizar a integração dos dispositivos Blynk de modo que possibilitasse o controle de um microcontrolador ESP8266 NodeMCU, pode se concluir que para fins práticos o trabalho realizado constitui-se em um caminho inicial para direcionar novos projetos na área de IoT envolvendo comandos de voz e aplicativo, isso porque, este projeto atual pode ser expandido ou modificado para atender a diversas aplicações, seja na automação residencial, em projetos de monitoramento remoto que envolvam agricultura, projetos escolares e afins.

O trabalho também demonstrou que é possível criar projetos com um bom grau de personalização, de modo a satisfazer as necessidades do usuário, pois, permite que tanto o aplicativo blynk e o ESP8266 possam ser programados e configurados de maneira diversificada.

A partir dessa ideia é possível implementar novos sensores e realizar o acionamento de outras cargas como lâmpadas, televisores, ventiladores, portões eletrônicos, bombas de água, motores, enfim, o projeto possibilita uma infinidade de opções, tudo podendo ser feito de maneira independente. Sendo assim, para projetos futuros, ficam opções para a exploração de funções do Voiceflow neste projeto, de modo que proporcione um diálogo fluido e natural com a assistente Alexa, atribuindo novos recursos e mais opções. Também a introdução de outros periféricos, como sensores, para aplicações de automação residencial, sensores de luminosidade para possibilitar ao usuário um controle do nível de iluminação do ambiente, por exemplo.

Assim como utilizar o sensor de chuva para que ao ser acionado a Alexa possa informar que começou a chover, sem a necessidade de o usuário questionar sobre isso, também aproveitando para acionar automaticamente um toldo para proteger áreas como varandas, garagens ou até mesmo fechar janelas para proteger o ambiente contra a chuva, enfim, as possibilidades são muitas, e podem variar de acordo com os objetivos de cada projeto.

Por fim, reitero que IoT é uma nova onda tecnológica que veio complementar a INTERNET tradicional, oferecendo acesso de baixa velocidade/banda para elementos simples de nosso dia a dia (Things). Foi padronizada internacionalmente, aproveitando as melhores tecnologias já existentes e utilizadas no mercado. Criou diversas Aplicações SMART as quais desenvolverão automação de diversos setores da Economia MUNDIAL.

A IoT realiza uma nova transformação digital: conecta dispositivos/objetos/coisas, incrementa negócios, valoriza processos, redefine organizações e gera uma grande quantidade de oportunidades. É uma nova onda tecnológica com uma nova fronteira para o mundo conectado com as pessoas, dispositivos, ambientes e objetos virtuais, todos conectados e capazes de interação. Isso, com certeza, demandará muitas pesquisas nas redes mundiais globalizadas e em suas aplicações.

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¹Acadêmico em Engenharia Elétrica
Instituição: Universidade Nilton Lins (UNL) Endereço: Av. Prof. Nilton Lins, 3259, Flores, Manaus – AM
E-mail: Felipe.flacastro@gmail.com

²Orientadora: Engenheira eletricista pela Universidade estadual do Amazonas (UEA). Especialistas em segurança do trabalho (UEA).
Instituição: Universidade Nilton Lins (UNL) Endereço: Av. Prof. Nilton Lins, 3259, Flores, Manaus – AM, Brasil
E-mail: ma.dp@uol.com.br

³Coorientadora; Mestrando em Engenharia Industrial pela Fundação Universitária Iberoamericana (FUNIBER) – Florianópolis
Instituição: Universidade Nilton Lins (UNL) Endereço: Av. Prof. Nilton Lins, 3259, Flores, Manaus – AM, Brasil
E-mail: erikamarquespinheiro@gmail.com