O hardware de IoT compreende uma ampla variedade de dispositivos, como sensores, pontes e dispositivos de roteamento. Esses dispositivos de IoT desempenham funções críticas de gerenciamento de tarefas essenciais, como ativação do sistema, comunicação, estipulações de ações, segurança e detecção de ações e objetivos detalhados. A seguir, você conhecerá os dispositivos de hardware de IoT disponíveis na MOKOSmart que utilizam a tecnologia de IoT, os blocos de construção de hardware de IoT, a arquitetura do software de IoT e as plataformas de hardware de IoT comuns. Além disso, discutiremos os requisitos essenciais de hardware de IoT necessários para implantar um projeto de IoT e tudo sobre placas de desenvolvimento de microcontroladores, computadores de placa única e processadores.
Nesta seção, discutiremos alguns blocos de construção de hardware de IoT.
Coisa
Em IoT, "Coisa" representa o ativo que se pretende medir, monitorar ou controlar. A maioria dos produtos de IoT integra totalmente seus dispositivos inteligentes com a "coisa". Por exemplo, produtos como veículos automáticos e geladeiras inteligentes monitoram e controlam a si mesmos de forma completa.
Em algumas outras aplicações onde “a coisa” é usada como um dispositivo isolado, um produto específico deve ser vinculado para certificar que ele possui recursos inteligentes.
Módulo de Aquisição de Dados
Este componente de hardware de IoT concentra-se na obtenção de sinais físicos do objeto monitorado ou observado. Posteriormente, ele os converte em sinais digitais que um computador pode facilmente interpretar ou manipular. Todos os sensores que auxiliam na obtenção de sinais do mundo real, como pressão, densidade, temperatura, luz, vibração e movimento, estão contidos neste componente de hardware de IoT. A aplicação determina o número e o tipo de sensores necessários.
Além disso, o módulo de aquisição de dados compreende o hardware necessário para converter os sinais do sensor de entrada em dados digitais usados pelo computador. Isso envolve a habituação do sinal de entrada, interpretação, conversão analógico-digital, dimensionamento e minimização de ruído.
Módulo de Processamento de Dados
Ele compreende a unidade crítica usada para processar dados que executam operações como armazenamento local de dados, análise local e outras operações de computação.
Módulo de comunicação
Este módulo permite uma comunicação eficaz entre a plataforma de nuvem e sistemas de terceiros, na nuvem ou localmente.
Os sensores são o item mais crítico no hardware de IoT. Os sensores de IoT são compostos por vários módulos, como módulos de gerenciamento de energia, módulos de RF, módulos de detecção e módulos de energia. Eles são ideais para aplicações em:
Sensores
Dados de IoT não podem existir sem sensores. Todos os sensores de IoT criam sinais elétricos analógicos proporcionais a um ativo físico. Os sensores utilizam ADCs (Conversores Analógico-Digitais) para converter esses sinais analógicos em dados digitais. Além disso, propriedades elétricas simples como corrente, indutância, tensão, resistência e impedância podem ser medidas com sensores.
Além disso, a direção e a intensidade dos campos magnéticos e elétricos podem ser medidas usando sensores.
Propriedades não elétricas medidas por sensores usam um transdutor para alterar propriedades físicas para sinais elétricos analógicos.
As propriedades físicas mais comuns são;
São pequenos equipamentos usados na cabeça, braços, pescoço, pés e tronco. Alguns dos dispositivos eletrônicos vestíveis atualmente disponíveis no mercado incluem:
Mochilas e algumas outras peças de roupa são usadas no tronco
Usamos dispositivos todos os dias, como tablets, celulares e desktops, como partes essenciais de um sistema de IoT. Os celulares permitem configurações remotas funcionais e outras modificações integrais. O desktop permite que o usuário controle o sistema completamente.
Embora os tablets permitam que os usuários acessem os principais recursos do sistema e também sejam usados como dispositivos de rede padronizados e remotos, como switches e roteadores, formam outros dispositivos conectados importantes.
Com a rápida introdução de novas plataformas de hardware de IoT industrial, seu cenário tem se desenvolvido constantemente. Os dispositivos de IoT possuem características-chave comuns que oferecem avaliação na escolha de hardware e software usados na configuração de uma nova rede de IoT ou na expansão e desenvolvimento de redes já existentes. Os recursos essenciais que caracterizam os dispositivos de IoT são:
Todos os dispositivos de IoT têm a conectividade de rede como característica definidora. Quando os dispositivos de IoT se comunicam localmente com outros, eles usam serviços baseados em nuvem para publicar dados. A maioria dos dispositivos de IoT transfere informações sem fio, seja usando Sinalizador Bluetooth, 802.11 (Wi-Fi), redes celulares, RFID ou tecnologias LPWAN, como SigFox, LoRa ou NB-IoT. Todos os dispositivos imóveis são equipados com um sistema de comunicação com fio. Esses dispositivos fixos são instalados em aplicações de controle industrial, automação residencial e edifícios inteligentes. Protocolos padrão como a Controller Area Network (CAN) ou o Universal Asynchronous Receiver Transmitter (UART) conectam dispositivos como uma forma de comunicação serial.
Dispositivos portáteis e vestíveis que dependem fortemente de fontes de energia sem fio, como células fotovoltaicas e baterias, consideram o gerenciamento de energia um fator de risco. A maioria dos usuários, às vezes, coloca seus dispositivos no modo de baixo consumo ou no modo de espera para economizar energia. Isso depende dos padrões de uso do usuário e das necessidades de energia dos circuitos integrados (CIs), sensores ou atuadores envolvidos. A taxa de consumo de energia do dispositivo aumenta à medida que você aumenta o número de componentes conectados.
Um microcontrolador é uma forma de SoC que processa dados e pode armazenar grandes quantidades de dados. Ele é composto por memória, núcleos de processador e uma memória somente leitura programável e apagável (EPROM), usada para manter todos os programas personalizados em execução no microcontrolador. Além disso, as placas de desenvolvimento de microcontroladores possuem uma estrutura elétrica adicional para suportar o microcontrolador, tornando-as mais úteis na programação ou prototipagem com o chip.
O microcontrolador é conectado a atuadores e sensores por meio de um barramento de hardware ou pinos de Entrada/Saída de Uso Geral (GPIO) analógicos ou digitais. Todos os componentes conectados ao barramento utilizam protocolos de comunicação padrão, como SPI e I2C, e SPI para comunicação. A troca ou adição de elementos vinculados ao barramento se torna mais acessível quando o usuário adota determinados padrões definidos.
Eles são mais improvisados do que microcontroladores. Computadores de placa única permitem que o usuário conecte dispositivos periféricos como telas, teclados e mouses. Além disso, oferecem mais potência necessária para processamento e mais memória. Por exemplo, um microcontrolador possui um microprocessador de 8 bits e 16 KHz, enquanto os computadores de placa única possuem um microprocessador ARM de 1.2 GHz e 32 bits.
Qual é a melhor escolha entre placas de desenvolvimento de microcontroladores e computadores de placa única?
Ao planejar a compra de uma placa de desenvolvimento microcontrolada ou de um computador de placa única, é essencial considerar as principais características do dispositivo em relação aos requisitos da sua aplicação. Além disso, use as seguintes decisões para analisar:
Os dispositivos de IoT operam apenas em ambientes definidos, e seus projetos de hardware variam bastante; portanto, são altamente especializados. No entanto, é possível desenvolver e projetar suas PCBs personalizadas e seus componentes sob medida para os requisitos da sua solução de IoT, prototipando com o hardware genérico disponível no mercado. Ao implantar seu projeto de IoT, é essencial considerar os seguintes requisitos de hardware de IoT:
Requisitos de segurança
A segurança é um componente essencial da Internet das Coisas. Considerar os requisitos de segurança do dispositivo é fundamental em todas as etapas de desenvolvimento e design. Mesmo durante a prototipagem, certifique-se de que a segurança e a integridade dos dados capturados por qualquer dispositivo permaneçam intactas. Todos os dispositivos IoT, suas redes, aplicativos de serviços de sites e dispositivos móveis aplicam os requisitos de segurança.
Facilidade de desenvolvimento
A facilidade de desenvolvimento é um requisito de alta prioridade na prototipagem. Ela permite que o usuário coloque o dispositivo de IoT em operação de forma rápida e eficiente ao capturar dados e interconectar-se com outros dispositivos e a nuvem. Ao implantar seus projetos de IoT, leve em consideração a qualidade, a acessibilidade e a disponibilidade da documentação da API. Além disso, considere as ferramentas de desenvolvimento e o suporte fornecidos pelo fabricante do dispositivo ou pela equipe de desenvolvimento.
Requisitos de aquisição, processamento e armazenamento de dados
O número de sensores conectados, a resolução dos dados capturados e a taxa de amostragem são os principais determinantes do volume de dados a serem processados. Eles também influenciam os requisitos de armazenamento e processamento de dados.
Requisitos de conectividade
Redes sem fio têm requisitos de conectividade como alcance operacional, distância percorrida pelo sinal de transmissão e volume previsto de dados e transmissão. Ao verificar os requisitos de conectividade do dispositivo, é fundamental considerar a tolerância a falhas, a capacidade de reconexão do dispositivo e o tempo que o dispositivo leva para tentar enviar dados novamente após se desconectar.
Os requisitos de energia
Os requisitos de energia são impactados principalmente pela taxa de transmissão da rede e pelo número de sensores no dispositivo. Portanto, ao implementar seu projeto de IoT, é essencial considerar se o dispositivo precisa de uma fonte de energia móvel, como um supercapacitor ou uma bateria, ou se precisa de energia elétrica. Além disso, saiba o tamanho, a capacidade, o peso e se a bateria é recarregada, substituída ou descartada quando descarregada. Caso a bateria seja recarregável, verifique por quais meios e com que frequência ela é carregada.
Requisitos de design de dispositivos físicos
Elas incluem o tamanho e a aparência física do dispositivo de hardware. Ao projetar um dispositivo de IoT, é essencial considerar as condições ecológicas em que o dispositivo será instalado. Por exemplo, considere se o dispositivo exigirá um revestimento reforçado ou à prova d'água. Todos os dispositivos instalados na parte inferior de um caminhão como parte de uma aplicação de monitoramento de frota devem sempre ser protegidos para garantir seu bom funcionamento, mesmo em condições adversas. O dispositivo deve ser resistente à água e imune a choques, sujeira e vibração.
Requisitos de custo
O investimento inicial do hardware e os componentes associados, como sensores, são os principais determinantes do preço do hardware. Outros componentes que determinam o custo do hardware incluem os custos operacionais contínuos, como manutenção e energia. Além disso, é essencial considerar as taxas de licenciamento razoáveis para os drives e componentes de alguns dispositivos. Montar placas personalizadas é mais caro do que comprar placas de desenvolvimento prontas para uso comercial. É uma alternativa mais sensata consagrar dispositivos de hardware ao escalar na rede IoT com vários instrumentos.
Processadores
Os dados são processados assim que os dados do sensor os capturam, antes de transmitir os resultados para a nuvem. Assim, a quantidade de processamento de dados necessária para criar os dados subsequentes do sensor e a complexidade dos sensores determinam o nível de processamento. Por exemplo, a leitura de temperatura é uma simples ilustração de uma média de valores definidos ou de um único valor de dados ao longo do tempo. Além disso, uma câmera de segurança incapaz de gravar vídeo digital sem que o algoritmo de detecção de cena sinalize um evento pode ser mais complexa.
Com base na complexidade e no poder necessários para processar dados, são necessárias quatro classes de processamento de hardware de IoT. São elas:
Sistemas baseados em PC
Os sistemas baseados em PC são plataformas configuráveis que permitem a criação fácil de sistemas personalizados por integradores de sistemas a partir de processadores comuns e baratos, placas-mãe prontas para uso, gabinetes e fontes de alimentação. Amplos recursos de armazenamento local de dados são fornecidos principalmente por unidades de estado sólido (SSDs) ou discos rígidos de terabytes.
Sistemas Móveis
Os sistemas móveis incorporam sistemas embarcados que possuem um subconjunto especializado otimizado para smartphones e tablets. Todos os sistemas móveis exigem carregamento frequente, pois os dispositivos são alimentados por bateria. Esses dispositivos intrinsecamente pessoais possuem recursos avançados de gerenciamento de energia para conservar energia e prolongar a vida útil da bateria. Além disso, os sistemas móveis oferecem recursos de processamento de alto desempenho.
Sistemas embarcados baseados em microprocessador (MPU)
Eles oferecem uma gama abrangente de opções de capacidade e desempenho, elevadas para atender aos requisitos de produtos específicos. Os requisitos são principalmente para sistemas de comunicação, eletrônicos de consumo, controles automotivos e industriais, dispositivos médicos e outras aplicações de mercado vertical.
Sistemas embarcados baseados em microcontroladores (MCU)
Esses sistemas exigem necessidades mínimas de processamento e oferecem soluções de baixo custo. No entanto, microcontroladores são módulos de hardware avançados específicos para implantes, que aceleram o processamento de imagens e funções de segurança, como aceleração criptográfica para troca de chaves públicas/privadas e Geração de Números Aleatórios Verdadeiros (TRNG).
Unidades de microcontrolador podem ser usadas para construir a arquitetura de hardware do dispositivo IoT. Os recursos do chip, as interfaces e a potência do sistema determinam a escolha de uma unidade de microcontrolador. Alguns recursos precisam ser coletados para definir o projeto do hardware IoT. Esses recursos auxiliam na finalização do protótipo perfeito de hardware IoT e no preço do kit de hardware IoT obrigatório. Eles incluem:
Os componentes de código aberto são a base da arquitetura de software de IoT. A figura acima ilustra como a arquitetura de IoT é comumente usada na maioria dos sistemas. O Linux não precisa se fixar no hardware e software de IoT de destino; portanto, é mais amplamente utilizado.
Atualmente, a maioria das empresas busca fornecer estruturas de IoT prontas para uso em inúmeras aplicações detalhadas de IoT. O protocolo CoAP é o mais utilizado, pois é exclusivo para aplicações de IoT. O protocolo também fornece um mecanismo padrão de conexão com dispositivos de IoT.
Os componentes essenciais em aplicações de Internet das Coisas são as plataformas de hardware de IoT. Esses dispositivos podem ajudar você a construir rapidamente seu protótipo ou projeto "faça você mesmo". Algumas das plataformas de hardware mais comuns usadas em desenvolvimentos de IoT são:
A maioria dos desenvolvedores de IoT está familiarizada com o uso de código aberto, sendo que mais de 91% deles aplicam software, dados ou hardware de código aberto em mais de um fragmento de sua pilha de desenvolvimento, tornando-a mais persuasiva. No entanto, menos de 2 em cada 10 desenvolvedores de IoT dependem principalmente de tecnologia patenteada, e é menos provável que adotem a opção de código aberto. O uso de hardware de código aberto para IoT é dominante entre a maioria das empresas de hardware para IoT. Essa alta taxa de uso se mantém, independentemente da motivação do desenvolvedor, seja aprendizado, diversão ou dinheiro.
O uso de soluções padronizadas proporciona os mesmos ganhos de produtividade proporcionados pelo uso de padrões abertos. Além disso, a aplicação de padrões públicos em código aberto auxilia na resolução de desafios de interoperabilidade, um problema crítico na emergente Internet das Coisas. É crucial sempre considerar os custos reduzidos de treinamento de novos funcionários familiarizados com a tecnologia de código aberto que você utiliza. Foi o que o Google fez ao terceirizar sua tecnologia MapReduce. Soluções de código aberto são usadas principalmente no setor de hardware de IoT do Azure.
O código aberto desperta imenso entusiasmo entre os desenvolvedores, pois eles são mais sutis em relação aos valores e padrões propostos pelo código aberto. Mais de 78% dos desenvolvedores de IoT preferem usar a tecnologia de código aberto em pelo menos uma área de desenvolvimento, sempre que possível, do que em alternativas superiores às proprietárias. Quando uma empresa opera e endossa um código aberto, ela sinaliza ao desenvolvedor uma tecnologia de ponta em três aspectos vitais.
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