PMR3507 Fábrica digital · concentra em funções para compartilhamento e gerenciamento de...

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

Departamento de Engenharia Mecatrônica e de Sistemas Mecânicos

Av. Prof. Mello Moraes, 2231

05508-030 - São Paulo - SP - Brasil

LSA – Laboratório de Sistemas de Automação www.pmrlsa.poli.usp.br

PMR3507

Fábrica digital

IoT (Internet of Things)

Códig

o d

e b

arr

as

• Projetado para aquisição automática de

informações

– Baixo custo

– Alta velocidade de entrada

– Alta confiabilidade

– Grande quantidade de coleta de informações

– Flexibilidade e praticidade

– Amplo espectro de aplicação

• Aplicações na manufatura digital

– Gerenciamento de equipamentos de manufatura

– Gerenciamento de armazenamento

– Gerenciamento das operações logística

Códig

o d

e b

arr

as

• Exemplo

– Aquisição em tempo real de informações de

produção

– Situação de estoque e consumo

– Progresso de produção

– Qualidade de cada material na produção

– Fornecer dados precisos para a otimização da

gestão na distribuição, estoque, armazenamento

logístico e transporte para MRPII

Códig

o d

e b

arr

as

• 2D

– Por exemplo o QR-Code

– Comporta muito mais informações

– Menos suscetível a erros

– Comporta até 30% de perdas sem comprometer os

dados armazenados

RF

ID (

Radio

-Fre

que

ncy

IDe

ntifica

tio

n te

ch

no

log

y)

• Utilização de um sistema sem fio que utiliza o

campo eletromagnético de Radio Frequência (RF)

para transferir dados de um identificador (TAG) que

está instalado no objeto o qual deseja-se identificar

• Para realizar a leitura não é necessário o contato

direto entre o objeto lido e leitor

• Existem três modalidades principais de TAG RFID

– Passiva

– Semi-passiva

– Ativa

Possuem uma fonte interna de

energia

RF

ID (

Radio

-Fre

que

ncy

IDe

ntifica

tio

n te

ch

no

log

y)

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• 1999

– Kevin Ashton proferiu uma palestra para a Procter &

Gamble, e apresentou uma nova ideia do sistema

RFID para a rastreabilidade do produto na cadeia de

suprimentos

– Para chamar a atenção dos executivos, ele colocou

no título da apresentação a expressão Internet of

Things

– Os objetos do mundo físico poderiam se conectar à

internet, criando um mundo mais inteligente

– Considerado o criador do termo Internet of Things

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• 2005

– Wall Mart e o Departamento de Defesa dos Estados Unidos exigiram que os fornecedores utilizassem as etiquetas RFID nos paletes de seus produtos para o controle do estoque

– Esse foi o marco do início do conceito da Internet das Coisas, com o uso do sistema RFID em massa na cadeia de suprimentos

– International Telecommunications Union (ITU) publicou um relatório com o conceito de Internet das Coisas

– Internet das coisas poderia conectar qualquer objeto, por meio de tecnologias, como RFID, sensores, rede de sensores sem fio, sistemas embarcados e nanotecnologia, além de transpor alguns desafios importantes como padronização, privacidade, espectro de frequência e questões sociais e éticas

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• 2005

– Redes de Sensores Sem Fio (RSSF) (do inglês

Wireless Sensor Networks – WSN)

– Estas redes trazem avanços na automação

residencial e industrial, bem como técnicas para

explorar as diferentes limitações dos dispositivos

(e.g., memória e energia), escalabilidade e robustez

da rede

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• 2008-2009

– Segundo a Cisco IBSG (Internet Business

Solutions), havia mais objetos conectados

(smartphones, tablets e computadores) do que a

população mundial

– Esse período é considerado o ano do nascimento da

Internet das Coisas

• 2011

– Discutida a criação de padrões internacionais

globais

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Outros termos adotados para Internet das Coisas

– Physical internet, ubiquitous computing, ambient

intelligence, machine to machine (M2M), industrial

internet, web of things, connected environments,

smart cities, spimes, everyware, pervasive internet,

connected world, wireless sensor networks, situated

computing, future internet, physical computing,

ambient technology, ubiquitous technology, sensor

web, sensor, network, wireless, sensor networks,

smart dust, smart data, smart grid, cloud data, web

3.0, Object Naming System

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• O termo IoT implica uma visão muito mais ampla do que a ideia de uma mera identificação de objetos

• A ideia básica deste conceito é a presença generalizada em torno de nós de uma variedade de coisas ou objetos - tais como etiquetas RFID (Radio Frequency IDentification), sensores, atuadores, telefones celulares, etc. - que, através de esquemas de endereçamento únicos, são capazes de interagir uns com os outros e cooperar com seus vizinhos para alcançar objetivos comuns

• “Internet das Coisas” semanticamente significa “uma rede mundial de objetos interconectados com endereçamento exclusivo, baseada em protocolos de comunicação padrão”

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Ambos os componentes de hardware e software

podem ser configurados de acordo com as

necessidades de diferentes aplicativos de destino

• Eles são de custo relativamente baixo, baixo

consumo de energia e compactos, e sua

flexibilidade e possibilidade de reutilização de

código (hardware e software) permitem que o

tempo de comercialização seja reduzido

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Blocos básicos de construção

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• Identificação

– Um dos blocos mais importantes

– Identificar os objetos unicamente para conectá-los à

Internet

– Tecnologias como RFID, NFC (Near Field

Communication) e endereçamento IP podem ser

empregados para identificar os objetos

• Sensores/Atuadores

– Sensores coletam informações sobre o contexto

onde os objetos se encontram

– Atuadores podem manipular o ambiente ou reagir de

acordo com os dados lido

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• Comunicação

– Diversas técnicas usadas para conectar objetos

inteligentes

– Desempenha papel importante no consumo de

energia dos objetos

• Computação

– Inclui a unidade de processamento responsáveis por

executar algoritmos locais nos objetos inteligentes

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• Serviços

– Serviços de Identificação, mapear Entidades Físicas

(EF) em Entidades Virtuais (EV)

– Serviços de Agregação de Dados: coletam e

sumarizam dados homogêneos/heterogêneos

obtidos dos objetos inteligentes

– Serviços de Colaboração e Inteligência: tomam

decisões e reagem de modo adequado a um

determinado cenário

– Serviços de Ubiquidade: visam prover serviços de

colaboração e inteligência em qualquer momento e

qualquer lugar em que eles sejam necessários

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• Semântica

– Habilidade de extração de conhecimento dos

objetos na IoT

– Descoberta de conhecimento e uso eficiente dos

recursos existentes na IoT, a partir dos dados

existentes, com o objetivo de prover determinado

serviço

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Arquitetura básica dos dispositivos

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Arquitetura básica dos dispositivos

– Unidade(s) de processamento/memória

– Memória interna para armazenamento de dados e

programas

– Microcontrolador

– Conversor analógico-digital

– As características desejáveis para estas unidades

são consumo reduzido de energia e ocupar o menor

espaço possível

– Unidade(s) de comunicação

– Maioria das plataformas usam rádio de baixo custo e

baixa potência

– Como consequência, a comunicação é de curto

alcance e apresentam perdas frequentes

– Fonte de energia – geralmente, bateria

– Unidade(s) de sensor(es)/atuador(es)

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Tecnologias de comunicação

• Ethernet

– Sua popularidade se deve à simplicidade, facilidade

de adaptação, manutenção e custo

– Sugerida para dispositivos fixos

• Wi-Fi

– Bastante popular, pois está presente nos mais

diversos lugares, fazendo parte do cotidiano de

casas, escritórios, indústrias, lojas comerciais e até

espaços públicos das cidades

– Desvantagem é o maior consumo de energia,

quando comparado com outras tecnologias de

comunicação sem fio

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• ZigBee

– Baixa vazão, reduzido consumo energético e baixo

custo

– Permite que os dispositivos entrem em modo sleep

por longos intervalos de tempo para economizar

energia

• 3G/4G

– Consumo energético é alto em comparação a outras

tecnologias

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• Bluetooth Low Energy (BLE)

– Baixo consumo de energia, permitindo dispositivos

que usam baterias do tamanho de moedas (coin cell

batteries)

– Versão 4.0 – mensagem de até 27bytes, topologia

em estrela e o dispositivo pode atuar ou como

master ou como slave

– Versão 4.1 – mensagem de até 27bytes e dispositivo

pode atuar como master ou slave, simultaneamente

– Versão 4.2 – mensagem de até 251bytes e

dispositivo pode atuar como master ou slave,

simultaneamente

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• LoRaWan (Long Range Wide Area Network)

– Projetada para criar redes de longa distância, numa

escala regional, nacional ou global

– Formada por dispositivos operados por bateria e

com capacidade de comunicação sem fio

– Comunicação segura e bi-direcional, mobilidade e

tratamento de serviços de localização

– Baixo custo

– Taxa de comunicação alcança valores entre 300 bps

a 50 kbps

– O consumo de energia é considerado pequeno

– Os valores de frequência mais usados: 109 MHz,

433 MHz, 866 MHz e 915 MHz

– O MTU adotado é de 256 bytes

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)


• Sigfox

– Ultra Narrow Band (UNB)

– Pequenas taxas de transferência de dados

– SigFox atua como uma operadora para IoT, com

suporte a uma série de dispositivos

– O raio de cobertura oficialmente relatada, em zonas

urbanas, está entre 3 km e 10 km e em zonas rurais

entre 30 km a 50 km

– A taxa de comunicação varia entre 10bps e 1000bps

– MTU utilizado é de 96 bytes

– Baixo consumo de energia

– Opera na faixa de 900 MHz

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Protocolos da camada de aplicações para IoT

• Constrained Application Protocol (CoAP)

– Utiliza funcionalidades similares ao do HTTP (GET,

POST, PUT, DELETE)

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Protocolos da camada de aplicações para IoT

• Message Queue Telemetry Transport (MQTT)

– Protocolo projetado para dispositivos extremamente

limitados

– Utiliza a estratégia de publish/subscribe

– Principal objetivo: minimizar o uso de largura de

banda da rede e recursos dos dispositivos

– Consiste de três componentes básicos: o subscriber,

o publisher e o broker

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Aplicações

– Bens de consumo

– eHealth

– Transporte inteligente

– Distribuição de energia (smart grid)

– Casas inteligentes

– Distribuição e Logística

– Segurança Pública

– Indústria e Manufatura

– Gestão da agricultura e dos recursos naturais

– Smart Cities

IoT

(In

tern

et

of

Thin

gs)

• Desafios

– Objetos são heterogêneos

– Prover endereçamento aos objetos

– Paradigmas de comunicação e roteamento nas

redes de objetos inteligentes podem não seguir os

mesmos padrões de uma rede como a Internet

– Desafios inerentes a cada aplicações para IoT

– Os dados providos pelos objetos agora podem

apresentar imperfeições (calibragem do sensor),

inconsistências (fora de ordem, outliers) e serem de

diferentes tipos (gerados por pessoas, sensores

físicos, fusão de dados)

IoT

x C

PS

• Difícil definir fronteiras claras entre eles

– CPSs como “orquestrações de computadores e

sistemas físicos”, nos quais “computadores

embarcados monitoram e controlam processos

físicos, geralmente com ciclos de realimentação,

onde processos físicos afetam as computações e

vice-versa” - IoT é considerado uma abordagem de

implementação para os CPS

– E. A. Lee and S. A. Seshia, Introduction to Embedded Systems: A Cyber-

Physical Systems Approach, 2nd ed. Cambridge, MA: MIT Press, 2017.

– E. A. Lee, “The past, present and future of cyber-physical systems: A

focus on models,” Sensors (Basel), vol. 15, no. 3, pp. 4837–4869, Feb.

2015. Available: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC4435108/

IoT

x C

PS


– CPS como sistemas baseados no trabalho

cooperativo de sensores e / ou atuadores para

atingir um objetivo específico. Nesse contexto, o IoT

é considerado como um veículo que realiza esse

trabalho cooperativo de maneira distribuída. Ao

contrário dos sistemas de IoT, os CPSs não estão

necessariamente conectados à Internet

– R. Minerva, A. Biru, and D. Rotondi. (May 2015). Towards a definition of

the Internet of Things (IoT). IEEE IoT Initiative. [Online]. Available:

http://iot.ieee.org/images/files/pdf/IEEE_IoT_Towards_Definition_Internet

_of_Things_Revision1_27MAY15.pdf

IoT

x C

PS


– Os CPS destinam-se ao monitoramento e controle

de componentes físicos, enquanto a IoT se

concentra em funções para compartilhamento e

gerenciamento de recursos e dados, interface entre

redes diferentes, dados em grande escala e coleta e

armazenamento de dados grandes, mineração de

dados ou agregação de dados e extração de

informações

– J. Lin, W. Yu, N. Zhang, X. Yang, H. Zhang, and W. Zhao. (2017). A

survey on Internet of Things: Architecture, enabling technologies,

security and privacy, and applications. IEEE Internet Things J. [Online].

Available: https://doi.org/10.1109/JIOT.2017.2683200

IoT

x C

PS


– CPSs como arquiteturas verticais consistindo de três

camadas, a saber, as camadas sensor/atuador,

comunicação e aplicação (controle), e a IoT como

uma arquitetura horizontal conectando diferentes

CPSs, integrando suas respectivas camadas de

comunicação. Essa visão da IoT como uma

infraestrutura de interconexão para os CPSs para

atingir um objetivo global é a mais aceita entre

aqueles que diferenciam os dois conceitos

– T. Samad, “Control systems and the Internet of Things,” IEEE Control

Syst. Mag., vol. 36, no. 1, pp. 13–16, Feb. 2016

IoT

x C

PS


– O conceito de CPS está associado a máquinas que

incluem sistemas embarcados capazes de

processar dados e comunicar entre si para

aumentar sua autonomia, enquanto a IoT é

identificada como uma tecnologia complementar que

fornece os recursos necessários para as máquinas

se comunicarem, permitindo que os produtos sejam

identificados e rastreado durante todo o seu ciclo de

vida

– M. A. Pisching, F. Junqueira, D. J. dos Santos Filho, P. E. Miyagi, “An

architecture based on IoT and CPS to organize and locate services,” in

Proc. 21st Int. Conf. Emerging Technologies and Factory Automation

(ETFA), pp. 6–9. 2016

PMR3507 Fábrica digital · concentra em funções para compartilhamento e gerenciamento de...

Documents

Transcript of PMR3507 Fábrica digital · concentra em funções para compartilhamento e gerenciamento de...