IoT Smart Lock (ISL): sistema de fechadura inteligente, utilizando protocolos de Internet das Coisas

(1)

DIRETORIA DE PESQUISA E P ´

OS-GRADUAC

¸ ˜

AO

DEPARTAMENTO ACAD ˆ

EMICO DE ELETR ˆ

ONICA

CURSO DE ESPECIALIZAC

¸ ˜

AO EM INTRENET DAS COISAS

GUSTAVO HENRIQUE GROSSMANN

IOT SMART LOCK (ISL): SISTEMA DE FECHADURA

INTELIGENTE, UTILIZANDO PROTOCOLOS DE INTERNET DAS

COISAS

MONOGRAFIA DE ESPECIALIZAC

¸ ˜

AO

CURITIBA 2018

(2)

IOT SMART LOCK (ISL): SISTEMA DE FECHADURA

INTELIGENTE, UTILIZANDO PROTOCOLOS DE INTERNET DAS

COISAS

Monografia de Especialização, apresentada ao Curso de Especialização em Internet das Coisas, do Departamento Acadêmico de Eletrônica - DAELN, da Universidade Tecnológica Federal do Paraná -UTFPR, como requisito parcial para obtenção do t´ıtulo de Especialista.

Orientador: Prof. Dr. Guilherme Luiz Moritz

CURITIBA 2018

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TERMO DE APROVAÇÃO

IOT SMART LOCK (ISL): SISTEMA DE FECHADURA INTELIGENTE, UTILIZANDO PROTOCOLOS DE INTERNET DAS COISAS

por

GUSTAVO HENRIQUE GROSSMANN

Esta monografia foi apresentada em 13 de Novembro de 2018 como requisito parcial para a obtenção do título de Especialista em Internet das Coisas. O candidato foi arguido pela Banca Examinadora composta pelos professores abaixo assinados. Após deliberação, a Banca Examinadora considerou o trabalho aprovado.

__________________________________ GUILHERME LUIZ MORITZ

Prof. Orientador

___________________________________ DANILLO LEAL BELMONTE

Membro titular

___________________________________ KLEBER KENDY HORIKAWA NABAS

Membro titular

O Termo de Aprovação assinado encontrase na Coordenação do Curso -Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Curitiba

Diretoria de Pesquisa e Pós-Graduação Departamento Acadêmico de Eletrônica Curso de Especialização em Internet das Coisas

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Ao colegiado do Curso de Especialização em Internet das Coisas, do Departamento Acadêmico de Eletrônica (DAELN) da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR), pelo suporte recebido de todos os professores durante as aulas ministradas.

`

A Érica da Silva Gaspari, por estar sempre ao meu lado e pronta a cooperar, dando total apoio incondicional, tanto na elaboração deste trabalho quanto em diversos momentos de minha carreira acadêmica, profissional e vida pessoal.

Ao meu orientador, Prof Dr. Guilherme Luiz Moritz, pelo acompanhamento, aux´ılio e orientac¸˜ao durante todo o per´ıodo de desenvolvimento desta pesquisa.

`

A minha fam´ılia e amigos, pela confianc¸a demonstrada em diversos momentos de minha vida.

A todas as pessoas que não mencionei explicitamente, mas que contribu´ıram de forma direta ou indireta na elaboração deste documento.

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GROSSMANN, Gustavo H. IoT Smart Lock (ISL): Sistema de Fechadura Inteligente, utilizando protocolos de Internet das Coisas. 2018. 92 f. Monografia de Especialização em Internet das Coisas, Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.

O número de aplicações e dispositivos para Internet das Coisas (IdC) tende a crescer de forma significativa durante a próxima década. Ao alinhar-se esse fato, com a preocupação cada vez maior do ser humano para com seus bens pessoais, encontra-se não só um segmento de forte interesse acadêmico, mas também mercadológico. Porém, assim como as aplicações espec´ıficas para dispositivos móveis possuem suas particularidades, aplicações para o segmento de automação e segurança residencial (que sigam os conceitos de IdC) também devem possuir as suas: protocolos de rede, protocolos de aplicação, bancos de dados, interfaces com o usuário, entre outros pontos, todos devem ser analisados com muita cautela, em prol de que se obtenha uma maior eficiência energética, menor tráfego de rede e um mais eficiente gerenciamento de dados. Por conta disso, ao se pensar em uma aplicação envolvendo uma fechadura inteligente para instalações de pequeno porte, como gavetas e portas de armários, é recomendável que se busque e se entenda os conceitos de Smart Homes, MQTT/MQTT-SN, 6LowPan, banco de dados NoSQL e aplicativos mobile. Além disso, a forma de integração entre todas essas tecnologias é um ponto a ser fortemente considerado no momento de seu desenvolvimento. Desse modo, o IoT Smart Lock (ISL) busca ser uma solução de fechadura inteligente que leve em conta todos esses conceitos, sendo o produto que tenta diferenciar-se no mercado pelo seguinte fato: poucas são as soluções dispon´ıveis nesse ano de 2018, que se utilizam de tais recursos e tecnologias. Assim, esse documento busca apresentar os diversos blocos que compõem a solução ISL, suas particularidades, além dos pontos fortes e fracos encontrados durante a análise e criação da primeira versão do protótipo do projeto, mostrando desde os detalhes de cada uma das ligações eletrônicas até a forma para que diferentes blocos da solução comuniquem-se entre si utilizando mensagens MQTT-SN, passando pela forma de busca e inserção de dados na ferramenta Google Firebase, via API REST.

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GROSSMANN, Gustavo H. IoT Smart Lock (ISL): Intelligent Locking System using Internet of Things protocols. 2018. 92 f. Monografia de Especialização em Internet das Coisas, Departamento Acadêmico de Eletrônica, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2018.

The number of applications and devices for Internet of Things (IoT) tends to grow up significantly over the next decade. Align with this fact, the growing concern of the human being for the security of his personal assets, make this an interesting subject. However, just as mobile applications have their particularities, applications for home automation and security, must also have their own. Network protocols, application protocols, databases, interfaces with the user, among other points, all should be analyzed with great caution, in order to achieve greater energy efficiency, less network traffic and more efficient data management. Because of this, when we think about an application involving a smart lock for small installations, such as drawers and cabinet doors, it is recommended to study about Smart Homes, MQTT / MQTT-SN, 6LowPan, bank NoSQL data and mobile applications. In addition of this, the way of integrating all these technologies is a point to be strongly considered at the time of its development. In this way, IoT Smart Lock (ISL) seeks to be a smart lock solution that takes into account all these concepts, being the product that tries to differentiate itself in the market due to the following fact: few solutions are available in this year of 2018, using this kind of resources and technologies. This document seeks to present the various blocks that make up the ISL solution, its particularities, as well as the strengths and weaknesses found during the analysis and creation of the first version of the prototype of the project, showing the details of the electronic connections, how the different blocks of the solution communicate with each other using MQTT-SN messages and the way of searching and inserting data in the Google Firebase tool, via the REST API. Keywords: Internet of Things. Smart Lock. MQTT-SN. 6LowPan. CC2650.

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FIGURA 1 MQTT - Modelo publish-subscribe . . . 20 –

FIGURA 2 Aplicativo Home Automation System . . . 22 –

FIGURA 3 Fechadura Soprano Smart . . . 25 –

FIGURA 4 QRIO Smart Lock . . . 26 –

FIGURA 5 TEO Smart Lockpad . . . 28 –

FIGURA 6 August Smart Lock . . . 30 –

FIGURA 7 SimpleLink CC2650 wireless MCU LaunchPad Development Kit . . . 33 –

FIGURA 8 Raspberry PI 3 - Model B (2) . . . 34 –

FIGURA 9 AnyChart - Gr´afico de colunas . . . 37 –

FIGURA 10 AnyChart - Gr´afico em pizza . . . 38 –

FIGURA 11 Code Composer . . . 39 –

FIGURA 12 Android Studio . . . 40 –

FIGURA 13 IoT Smart Lock - tela de abertura . . . 43 –

FIGURA 14 IoT Smart Lock - tela de login . . . 44 –

FIGURA 15 IoT Smart Lock - tela de cadastro de usu´ario . . . 44 –

FIGURA 16 IoT Smart Lock - listagem de instalac¸˜oes . . . 45 –

FIGURA 17 IoT Smart Lock - inserção de nova instalação . . . 46 –

FIGURA 18 IoT Smart Lock - detalhes da instalac¸˜ao . . . 47 –

FIGURA 19 IoT Smart Lock - tela de gráficos referentes a instalação . . . 48 –

FIGURA 20 IoT Smart Lock - tela de relatórios referentes a instalação . . . 48 –

FIGURA 21 Prot´otipo da fechadura inteligente ISL . . . 50 –

FIGURA 22 Fechadura inteligente ISL - trava fechada e alarme ativo . . . 50 –

FIGURA 23 Fechadura inteligente ISL - trava aberta e alarme inativo . . . 50 –

FIGURA 24 Diagrama em Blocos - Iot Smart Lock . . . 54 –

FIGURA 25 Tela de usu´arios no painel do Firebase Authentication . . . 69 –

FIGURA 26 Armazenamento de dados do ISL na plataforma Firebase . . . 69 –

FIGURA 27 Armazenamento de dados da instalac¸˜ao na plataforma Firebase . . . 70 –

FIGURA 28 Definic¸˜ao de regras para o banco de dados do ISL . . . 70 –

FIGURA 29 Armazenamento de arquivos no Cloud Storage . . . 71 –

FIGURA 30 Detalhe de arquivo no Cloud Storage . . . 72 –

FIGURA 31 IoT Smart Lock - edição de dados da instalação . . . 82 –

FIGURA 32 IoT Smart Lock - confirmação de exclusão da instalação . . . 82 –

FIGURA 33 IoT Smart Lock - gr´afico: quantidade de vezes aberta no dia corrente . . . . 83 –

FIGURA 34 IoT Smart Lock - gr´afico: quantidade de vezes aberta no mˆes corrente . . . . 83 –

FIGURA 35 IoT Smart Lock - gr´afico: quantidade de vezes aberta no ano corrente . . . . 84 –

FIGURA 36 IoT Smart Lock - relatório: momentos de abertura da instalação . . . 84 –

FIGURA 37 IoT Smart Lock - relat´orio: momentos em que o alarme foi disparado . . . . 85 –

FIGURA 38 IoT Smart Lock - relatório: momentos da instalação esquecida aberta . . . . 85 –

FIGURA 39 Organizac¸˜ao das classes do aplicativo Android . . . 87 –

FIGURA 40 Integrador MQTT-Firebase - definição de importações e constantes . . . 90 –

FIGURA 41 Integrador MQTT-Firebase - método de leitura e gravação de mensagens . 90 –

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QUADRO 1 Dependˆencias do aplicativo Android . . . 86 –

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6LowPan IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas

API Application Programming Interface APK Android Package

CoAP Constrained Application Protocol CSS Code Composer Studio

FAQ’s Frequently Asked Questions

GB Gigabyte

GPS Global Positioning System

IDE Integrated Development Environment

IEEE Instituto de Engenheiros Eletricistas e Eletrˆonicos IoO Internet of Objects

IoT Internet of things IP 44 Ingress Protection44 IPv6 Internet Protocol version6

ISL IoT Smart Lock

JSON JavaScript Object Notation

KB Kilobyte

LED Light Emitting Diode M2M Machine-to-machine MAC Media Access Control

MB Megabyte

MHz Mega Hertz

MQTT Message Queuing Telemetry Transport

MQTT-S Message Queuing Telemetry Transport for Sensors

MQTT-SN Message Queuing Telemetry Transport for Sensor Networks NBR Norma Brasileira

NDK Native Development Kit NFC Near-Field communication NoSQL Non-Structured Query Language QR Code Quick Response Code

REST Representational State Transfer RFID Radio-Frequency IDentification RSMB Really Small Message Broker SDK Software Development Kit SQL Structured Query Language XML Extensible Markup Language

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1 INTRODUÇ ÃO . . . 14 1.1 MOTIVAÇ ÃO . . . 15 1.2 OBJETIVOS . . . 15 1.2.1 Objetivo Geral . . . 15 1.2.2 Objetivos Espec´ıficos . . . 15 1.3 JUSTIFICATIVA . . . 16 2 REFERENCIAL TE ÓRICO . . . 17

2.1 INTERNET DAS COISAS . . . 17

2.1.1 Smart Home . . . 18

2.2 PROTOCOLOS DE APLICAC¸ ˜AO . . . 18

2.2.1 MQTT . . . 19

2.2.2 MQTT-SN . . . 20

2.3 BANCO DE DADOS . . . 21

2.3.1 Banco de Dados NoSQL . . . 21

2.4 APLICAC¸ ˜OES MOBILE . . . 22

2.5 AN ´ALISE DE MERCADO . . . 23

2.5.1 Fechadura Soprano Smart . . . 23

2.5.2 QRIO Smart Lock . . . 25

2.5.3 TEO . . . 27

2.5.4 August Smart Lock . . . 28

2.5.5 Comparac¸˜ao entre Produtos . . . 30

3 MATERIAIS . . . 32

3.1 SIMPLELINKTMCC2650 WIRELESS MCU LAUNCHPADTM DEV KIT . . . 32

3.2 RASPBERRY PI 3 MODEL B . . . 33

3.3 FIREBASE . . . 35

3.3.1 Firebase Realtime Database . . . 35

3.3.2 Firebase Authentication . . . 35

3.3.3 Cloud Storage . . . 36

3.4 BIBLIOTECA PAHO-MQTT . . . 36

3.5 BIBLIOTECA ANYCHART . . . 37

3.6 CODE COMPOSER STUDIO IDE . . . 38

3.7 ANDROID STUDIO IDE . . . 39

4 DETALHAMENTO DE FUNCIONALIDADES . . . 41

4.1 APLICATIVO MOBILE . . . 42

4.1.1 Tela de Abertura . . . 43

4.1.2 Tela de Autenticac¸˜ao (login) . . . 44

4.1.3 Tela de Listagem de Instalac¸˜oes . . . 45

4.1.4 Tela de Adição de Nova Instalação . . . 45

4.1.5 Tela de Detalhes da Instalac¸˜ao . . . 46

4.1.6 Tela de Gráficos Referentes a Dados da Instalação . . . 47

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5.1 REQUISITOS . . . 51

5.2 DIAGRAMA EM BLOCOS . . . 52

5.3 APLICATIVO ANDROID . . . 56

5.3.1 Comunicação com o Servidor de Serviços . . . 58

5.3.2 Comunicac¸˜ao com o Banco de Dados . . . 58

5.3.2.1 Autenticação de usuário . . . 59

5.3.2.2 Gerenciamento de dados . . . 60

5.3.2.3 Gerenciamento de imagens . . . 61

5.3.2.4 Geração de gráficos e relatórios . . . 63

5.4 SERVIDOR DE SERVIC¸ OS . . . 64 5.4.1 Broker MQTT . . . 64 5.4.2 Integrador MQTT - Firebase . . . 65 5.4.3 Roteador de Borda . . . 67 5.5 BANCO DE DADOS . . . 67 5.5.1 Armazenamento de Dados . . . 68 5.5.2 Armazenamento de Arquivos . . . 71

5.6 IOT SMART LOCK . . . 72

5.6.1 T´opicos MQTT . . . 73

6 CONCLUS ˜AO . . . 76

6.1 TRABALHOS FUTUROS . . . 78

Apˆendice A -- TELAS COMPLEMENTARES DO APP MOBILE . . . 82

Apˆendice B -- DEPEND ˆENCIAS E PLUGINS DO APP MOBILE . . . 86

Apêndice C -- ORGANIZAÇ ÃO DE CLASSES DO C ÓDIGO DO APP MOBILE . . . 87

Apêndice D -- ATIVIDADES (ACTIVITIES) DESENVOLVIDAS NO APP MOBILE . 88 Apêndice E -- C ÓDIGO DO SERVIÇ O INTEGRADOR MQTT-FIREBASE . . . 90

Apˆendice F -- IOT SMART LOCK - CIRCUITO ELETR ˆONICO . . . 92

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1 INTRODUC¸ ˜AO

A falta de segurança é um assunto constante em jornais e portais de not´ıcias do século XXI, seja no Brasil ou em qualquer outro pa´ıs do mundo. Assaltos, furtos e violações da privacidade, se tornam cada vez mais comuns, assim como a necessidade da população de adquirir meios mais seguros de armazenar seus bens, sejam eles de alto, médio ou baixo valor. Por conta disso, os investimentos em tecnologias, dispositivos e produtos que aumentem a segurança do cidadão, são cada vez maiores.

Observando o atual momento da tecnologia, o qual apresenta uma vasta gama de informações dispon´ıveis na palma da mão do ser humano por meio dos aparelhos móveis (celulares e tablets), é natural que com essa necessidade de se sentir mais seguro, mais e mais pessoas desejem visualizar e manipular seus dispositivos de segurança, em tempo real, de forma simples e rápida, de qualquer lugar do mundo.

Nesse ponto, o conceito de Internet das Coisas (ou Internet of Things - IoT) pode contribuir ao viabilizar a implementação prática de bilhões de dispositivos que se comunicam entre si, fazendo com que se possa verificar se portas de casas foram esquecidas destrancadas, se gavetas de escritórios foram violadas em algum momento ou mesmo se todos os dispositivos de segurança de determinado local permanecem ativos.

Com tais conceitos, pode-se começar a não só imaginar, mas vivenciar o nascimento de produtos voltados à segurança e às ”smart homes”, como travas e fechaduras inteligentes.

No entanto, atualmente são poucas as soluções para esse ramo de segurança residencial e pessoal, que exijam um investimento baixo, considerando-se o salário m´ınimo brasileiro. Além disso, muitas dessas soluções exigem um alto custo energético, além de produzir um elevado tráfego de rede, o que se torna um problema quando se pensa na quantidade de sensores e dispositivos que serão interconectados nos próximos anos.

Assim, é de extrema importância que os fabricantes, engenheiros e desenvolvedores, evoluam seus produtos ao próximo n´ıvel tecnológico, tornando-os integrados com protocolos e soluções como: Internet Protocol version 6 (IPv6), IPv6 over Low Power Wireless Personal

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Area Networks(6LowPan), Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), banco de dados em nuvem e aplicativos mobile.

1.1 MOTIVAC¸ ˜AO

Objetos e documentos pessoais são armazenados em gavetas e armários, sejam eles em residências ou escritórios, por diversas pessoas. No entanto, apesar do desejo da confidencialidade e da privacidade para com os itens guardados, são poucos aqueles que investem em um cofre ou mesmo em travas manuais de boa qualidade.

Considerando-se ainda que muitas dessas pessoas passam grande parte do seu dia longe de casa, chega-se a conclusão que mesmo com um dispositivo de segurança instalado, a preocupação por não saber o atual estado do mesmo, torna-se uma preocupação constante, gerando menor qualidade de vida para o indiv´ıduo.

Assim, a motivação para o desenvolvimento da IoT Smart Lock (ISL), foi de criar um dispositivo de fechadura inteligente de simples instalação para gavetas e armários de pequeno porte, servindo como trava com alarme para violações, além de possuir uma interface via aplicativo mobile, em que o usuário possa interagir e alterar o estado da trava e do alarme de forma remota, além de visualizar dados relevantes sobre a fechadura instalada, como: momentos em que abriu e fechou seu dispositivo, momentos em que a mesma foi violada, momentos em que sua instalação foi esquecida aberta, entre outras.

1.2 OBJETIVOS

1.2.1 OBJETIVO GERAL

Desenvolver uma aplicação de automação e segurança residencial, que sirva como fechadura para gavetas e armários de pequeno porte, que integre os conceitos e recursos de Internet das Coisas, como IPv6, 6LowPan, MQTT e banco de dados na nuvem.

1.2.2 OBJETIVOS ESPEC´IFICOS

• Realizar uma pesquisa sobre conceitos e metodologias de Internet das Coisas, apresentando caracter´ısticas de: protocolos de aplicação, microcontroladores, bancos de dados, interfaces com o usuário e ferramentas de desenvolvimento;

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utilizados em uma aplicação de fechadura inteligente, para gavetas e armários de pequeno porte;

• Desenvolver todas as camadas de um protótipo de produto, desde o planejamento elétrico até a interface com o usuário final, passando pela escolha das ferramentas de desenvolvimento, protocolos de comunicação e banco de dados.

1.3 JUSTIFICATIVA

Desenvolver uma fechadura inteligente que atenda aos requisitos e conceitos abordados pelo estudo da Internet das Coisas, não é uma tarefa simples. Dentre os principais motivos para essa dificuldade, pode-se citar a ainda não utilização do IPv6 em 100% do território do planeta e a pouca oferta de microcontroladores que utilizem protocolos que consumam menos energia e gerem menor tráfego de rede (como por exemplo, o MQTT).

Assim, para que a solução utilize tecnologias inovadoras e para que os dados possam ficar dispon´ıveis para consulta do usuário durante 24 horas por dia, deseja-se desenvolver um produto final que utilize os protocolos 6LowPan e MQTT, um banco de dados na nuvem (como o Google Firebase, por exemplo), e que possua um aplicativo mobile para dispositivos móveis que utilizem o sistema Android.

Com isso, pretende-se tornar os conceitos de Internet das Coisas mais difundidos, gerando um produto final relevante, de baixo custo, que utilize os principais conceitos anteriormente citados, além de auxiliar na solução de um dos maiores problemas atuais, que é a segurança da população.

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2 REFERENCIAL TE ´ORICO

Internet das Coisas, Smart Home, protocolos de aplicação, bancos de dados e aplicativos para smartphones, são apenas alguns dos conceitos e objetos de estudo que foram criados ou que evolu´ıram de forma significativa à partir dos anos 2000, com o advento e a popularização da Internet e o constante avanço na criação de processadores e componentes cada vez menores.

Nas próximas seções desse documento, serão detalhados os principais conceitos utilizados no desenvolvimento de uma aplicação de fechadura inteligente, para automação e segurança residencial, além de ser apresentada uma análise de mercado, contendo os principais produtos do segmento, sejam eles atualmente comercializados ou em estágios de pré-lançamento.

2.1 INTERNET DAS COISAS

Advindo do inglês Internet of Things (IoT) (ou Internet of Objects - IoO), a Internet das Coisas representa o conjunto de dispositivos elétricos ou eletrônicos, de diversos tamanhos e capacidades, conectados à Internet (MIRAZ et al., 2015).

Essa conexão de diversos dispositivos com a Internet vai se tornando cada vez mais uma realidade, pelo fato de já existirem vários tipos de tecnologias sem fio de curto alcance, como o ZigBee, 6LowPan, Radio-Frequency IDentification (RFID), redes de sensores e tecnologias baseadas em localização (FEKI et al., 2013).

Com tais avanços tecnológicos, e suas constantes evoluções, a tendência é de que cada vez mais, vejam-se equipamentos eletrônicos sendo desenvolvidos com a possibilidade de conectarem-se com a Internet, integrando assim uma malha de dispositivos interligados. Miraz et al. (2015) citam que tais dispositivos, com o devido gerenciamento e com a devida implementação de recursos de segurança, serão empregados nas mais diversas áreas, como por exemplo: automação residencial, transporte, educação, segurança, energia, entre outros.

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2.1.1 SMART HOME

As aplicações para o segmento da Internet das Coisas chamado ”Smart Home” (do português ”Casa Inteligente”, em tradução literal) buscam prover conforto, conveniência e a simplificação da interação entre as pessoas e os dispositivos de suas residências (DEORE; SONAWANE; SATPUTE, 2016), diferindo dos sistemas atualmente existentes, pelo fato de que com a IdC, eles serão controláveis de quaisquer lugares do mundo em que exista conexão com a Internet.

Desse modo, considerando os 50 bilhões de objetos e dispositivos que estarão conectados à internet em 2020 (EVANS, 2011), uma grande parcela desse número estará localizado atendendo a esse segmento de automação e segurança residencial. Dentre os eletrodomésticos que poderão estar conectados à rede da IdC, pode-se citar como exemplos: televisores, geladeiras, máquinas de lavar roupas, cafeteiras, fechaduras elétricas, entre outros.

Para que esse número de dispositivos conectados seja alcançado e para que essa tecnologia seja acess´ıvel à uma grande parcela da população, é necessário que essas aplicações de automação residencial cada vez menos dependam de comunicação via cabos f´ısicos, pois essa dependência encarece a implantação da mesma em construções já existentes (e não previamente planejadas para atender essa demanda), tornando-as demasiadamente caras (GOVINDRAJ; SATHIYANARAYANAN, 2017).

Assim, a evolução das tecnologias wireless (sem cabos) se torna extremamente importante, não só para a Smart Home, mas para a IdC como um todo, com o estudo de protocolos de aplicação, protocolos de redes e de sistemas eficientes do ponto energético, fazendo com que a ligação entre os bilhões de aparelhos não se torne um dos grandes problemas futuros.

2.2 PROTOCOLOS DE APLICAC¸ ˜AO

Protocolos diferentes usualmente costumam atender a necessidades diferentes. Com a Internet das Coisas sendo uma realidade cada vez mais presente, é normal que os protocolos utilizados na ”Internet das Pessoas” com processadores robustos, passem a não ser as soluções ideais para redes de dispositivos menores, que tendem a possuir recursos limitados de bateria, memória, largura de banda e processamento (KODALI, 2017).

Por conta disso, começaram a surgir adaptações e também novos protocolos, como o MQTT, o Constrained Application Protocol (CoAP) e as Application Programming Interfaces

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(APIs) de transferˆencia de estado representacional (ou Representational State Transfer - REST), com o intuito de atender a esses mais recentes requisitos.

2.2.1 MQTT

O MQTT foi desenvolvido para prover um protocolo de mensagens no modelo publish-subcribe(publicação-subscrição), que utilize o m´ınimo poss´ıvel de recursos de banda de rede (YASSEIN; SHATNAWI, 2017). E um protocolo aberto, com mecanismos que permitem´ comunicação ass´ıncrona, funcionando acima do popular Internet Protocol (IP).

O modelo publish-subscribe, segundo Asghar e Mohammadzadeh (2015), foi pensado para aplicações que se enquadrem em situações em que uma única mensagem deva poder ser requerida e distribu´ıda a múltiplos usuários, fazendo com que a principal vantagem desse protocolo, seja manter o publicador (publisher) independente dos inscritos (subscribers) e vice-versa, ou seja, tornando essa comunicação ass´ıncrona.

No MQTT, tem-se ent˜ao os chamados MQTT clients e os MQTT brokers (ou MQTT servers), onde todos os publicadores e inscritos (como sensores, dispositivos mobile e demais sistemas que publiquem ou recebam mensagens) s˜ao considerados clientes, enquanto que o brokers seriam os servidores ou programas encarregados de conectar esses diversos clientes (KODALI, 2017), conforme demonstrado na Figura 1.

Essa publicação e inscrição são realizadas com um modelo de tópicos, em que cada um deles é identificado por um nome único. Desse modo, um ou mais clientes MQTT publicam mensagens em determinado tópico, enquanto que outros clientes se inscrevem no mesmo, recebendo assim as devidas mensagens, toda vez que uma nova é publicada.

Assim, em um modelo de exemplo, onde a comunicação fosse feita por mensagens via MQTT, um termômetro que mede a temperatura atual enviaria uma mensagem a um servidor, e diversos aplicativos de celular leriam essa mensagem. Nesse caso, tanto o termômetro quanto os celulares são MQTT clients, enquanto que o servidor seria o MQTT broker.

Por conta disso, em diversas situações, é poss´ıvel que o publicador da mensagem desconheça quais usuários ou aplicações estão inscritas naquele tópico, fazendo com que esse conhecimento não seja necessário, assim como os inscritos não precisarão conhecer detalhes sobre o modelo de funcionamento e publicação do publicador (ASGHAR, 2015), pois o importante para eles é o consumo das mensagens publicadas.

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Figura 1: MQTT - Modelo publish-subscribe

Fonte: Kodali (2017).

2.2.2 MQTT-SN

Message Queuing Telemetry Transport for Sensor Networks(MQTT-SN ou MQTT-S), é uma extensão do protocolo MQTT, pensado para atender soluções que envolvam uma rede de sensores conectados, como é o caso das aplicações de Internet das Coisas.

Como Asghar e Mohammadzadeh citam em seu artigo ”Design and Simulation of Energy Efficiency in Node Based on MQTT Protocol in Internet of Things” (2015), o foco do MQTT-SN seria em redes envolvendo dispositivos embarcados, com limitação de recursos (como capacidade de processamento, memória e alimentação energética).

O MQTT-SN foi desenvolvido baseado no MQTT, seguindo principalmente 4 pontos, levantados por Hunkeler, Truong e Stanford-Clark (2008):

1. Ser o mais próximo poss´ıvel do protocolo MQTT: dessa forma, a integração entre as redes de sensores sem fio e a comunicação via infraestrutura existente, seria facilitada;

2. Otimizada para sensores pequenos: conforme citado anteriormente, com foco em dispositivos com limitac¸˜ao de recursos;

3. Se adequar a redes sem fio, com altas taxas de falha na entrega, pouca largura de banda e necessidade de mensagens pequenas: o protocolo deveria suportar redes baseadas com

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pequenas larguras de banda, como por exemplo, o IEEE 802.15.4; deveria poder trabalhar em redes que suportam mensagens curtas, de no m´aximo 64 bytes, como ´e o caso do ZigBee;

4. Funcionar independente da rede: ser projetado para funcionar em qualquer rede projetada com enderec¸os de rede.

2.3 BANCO DE DADOS

Rautmare e Bhalerao (2017) definem bancos de dados como um conjunto estruturado de dados, podendo-os separar em dois tipos distintos: os bancos de dados relacionais e os bancos de dados não relacionais. Aqueles que utilizam a linguagem estruturada de busca denominada Structured Query Language (SQL), são os chamados banco de dados relacionais, mais tradicionais e bastante utilizados em grande parte dos sistemas e aplicações existentes. Já os demais bancos, que utilizam outras estruturas de armazenamento, são normalmente chamados de bancos de linguagem não SQL (Non-Structured Query Language - NoSQL), ou não relacionais.

No artigo ”MySQL and NoSQL database comparison for IoT application” de Rautmare e Bhalerao (2017), uma comparação entre um banco de dados SQL e um banco de dados NoSQL foi realizada no uso de uma aplicação de IdC. Segundo os autores, ambos os bancos possuem suas vantagens e desvantagens, e a melhor escolha dependerá do tipo de operação mais utilizada e dos requisitos da aplicação.

2.3.1 BANCO DE DADOS NOSQL

A popularidade de tal tipo de banco de dados cresce a cada dia, segundo Rautmare e Bhalerao (2017), por conta de seus recursos como alta escalabilidade, armazenamento simplificado, fácil acesso e arquitetura distribu´ıda, fazendo-os se tornarem ótimas opções para guardar dados de Internet das Coisas.

Uma as formas de armazenamento mais utilizadas por tais tipo de banco, se dá no formato de documentos, como JavaScript Object Notation (JSON) ou Extensible Markup Language (XML). O Firebase, por exemplo, que é um dos bancos bastante utilizados para aplicações mobile, estrutura seus dados em documentos JSON, o que facilita o uso por diversas aplicações (BOMAN; TAYLOR; NGU, 2014).

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Hbase, Firebase Realtime Database.

2.4 APLICAC¸ ˜OES MOBILE

Assim como os computadores e seus componentes internos, os smartphones evolu´ıram de forma significativa desde seu surgimento, sendo que os modelos mais recentes, possuem poder de processamento comparáveis a computadores de topo de linha de 5 anos atrás, e superiores até a modelos recentes de microcontroladores (FLOREA, 2017). Além disso, a inclusão de novos recursos a cada novo modelo lançado pelas fabricantes, torna o smartphone cada vez mais presente na vida da população mundial.

Dessa forma, seu uso como interface com o usuário em aplicações de Internet das Coisas, se torna cada vez mais comum, não sendo dif´ıcil encontrar artigos acadêmicos sobre o assunto, como ”Mobile based Horne Automation using Internet of Things (IoT)” (MANDULA et al., 2015), ”An IoT based Home Automation Using Android Application” (REDDY et al., 2016) e ”A Novel Smart Water-Meter based on IoT and Smartphone App for City Distribution Management” (SURESH; MUTHUKUMAR; CHANDAPILLAI, 2017).

Mandula et al. (2015), por exemplo, desenvolveram um aplicativo mobile para automação residencial (conforme Figura 2), com o intuito de controlar os diversos eletrodomésticos via bluetooth. Já Suresh, Muthukumar e Chandapillai (2017) criaram outro aplicativo, como interface de seu produto para medir o consumo de água, utilizando Internet. Assim, verifica-se que os aplicativos podem usufruir não só de um, mas dos diversos recursos dispon´ıveis no dispositivo (como por exemplo: bluetooth, WIFI, câmera, giroscópio, Global Positioning System(GPS), entre outros), em busca de realizar determinada tarefa.

Figura 2: Aplicativo Home Automation System

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2.5 AN ´ALISE DE MERCADO

Segurança e confidencialidade são duas das principais caracter´ısticas que fechaduras inteligentes buscam manter para seus usuários.

Existem as opções que se utilizam das tecnologias Near-Field communication (NFC), WIFI e Bluetooth, enquanto outras utilizam apenas um microcontrolador de menor poder de processamento e memória, em conjunto com um teclado numérico, como é o caso retratado no artigo ”A microprocessor-controlled door lock system” de Poirier e Vishnubhotla (1990), em que buscavam garantir a segurança no acesso a dormitórios e portas, sem a utilização de chaves. Assim, nas próximas seções, serão apresentadas algumas das fechaduras inteligentes dispon´ıveis no mercado, além de um cadeado inteligente, baseado nos mesmos princ´ıpios e com funcionalidades semelhantes, porém, que acabou ficando apenas como um projeto, sem ter sido disponibilizado para venda comercial ao grande público.

2.5.1 FECHADURA SOPRANO SMART

A ”Fechadura Soprano Smart” (Figura 3) tem como principais caracter´ısticas, listadas na página inicial do site do produto (SOPRANO, 2018), os fatos de: ser uma fechadura que segue o padrão de mecanismo de embutir definido pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) pela Norma Brasileira (NBR) 14913, ser alimentada por 4 pilhas alcalinas do tipo AA e ter a capacidade de ser alimentada por uma fonte de 12 volts, além de possuir Light Emitting Diodes(LEDs) e avisos sonoros para comunicação e grau de proteção Ingress Protection44 (IP 44).

Também é poss´ıvel ficar a par de uma série de outras caracter´ısticas, tanto da fechadura quanto do aplicativo mobile, dentro das diversas seções de apresentação do produto. Questões energéticas, suporte a dispositivos mobile e outras informações, podem ser encontradas com facilidade em tais seções.

Principais caracter´ısticas e funcionalidades listadas para a fechadura:

• Comunicac¸˜ao via Bluetooth e NFC;

• Toque interno e externo para abertura e fechamento; • Baixo consumo de energia e aviso de pilhas fracas;

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• Duração média da autonomia energética é de três meses ou sete mil acionamentos, utilizando 4 pilhas do tipo AA;

Principais caracter´ısticas e funcionalidades listadas para o aplicativo mobile:

• Dispon´ıvel para smartphones e tablets com o sistema Android 5 e versões superiores; • Dispon´ıvel para smartphones e tablets com o sistema iOS 10 e versões superiores; • Aplicativo totalmente em português;

• Possibilidade de cadastro de centenas de fechaduras;

• Possibilidade de compartilhamento de chaves entre o administrador e os usuários; • Configuração de acessos dos usuários;

• Disponibilização de relatórios de até 2050 logs de acesso dos usuários, por fechadura.

O fabricante também cita que junto do produto são entregues duas chaves f´ısicas, para os casos de descarga total da bateria do celular ou da bateria da fechadura. Porém, é destacado que tais chaves devem ser usadas prioritariamente em casos de emergência.

Além disso, na página relacionada à Frequently Asked Questions (FAQ’s), alguns pontos importantes, e que podem ser considerados desvantagens, também são levantados:

• Usuários do sistema Android precisam estar sempre com o recurso de localização ativada no seu dispositivo mobile;

• Usuários do sistema Android precisam habilitar a opção “permissão local” e marcar “definir as notificações como prioridade”, nas configurações do aplicativo do produto; • Necessidade de manter o Bluetooth sempre ativo;

• Não pode ser integrada a sistemas de automação residencial na atual versão; • Não é a prova da água, apenas a respingos e à umidade;

• Não é poss´ıvel que um usuário faça login simultaneamente em 2 ou mais aplicativos, instalados em dispositivos diferentes;

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Figura 3: Fechadura Soprano Smart

Fonte: Soprano (2018).

• Serve somente para portas;

Prec¸o m´edio: R$3200,00

Situac¸˜ao de mercado: dispon´ıvel

2.5.2 QRIO SMART LOCK

Tendo vendido mais de 10 mil unidades apenas no Japão, a QRIO Smart Lock (Figura 4) foi desenvolvida com o intuito de ser uma maneira conveniente de manusear a trava de uma porta, via celular, segundo a página do produto (QRIO, 2018). Planejada por uma parceria de três empresas japonesas, foi desenhada e produzida por uma das grandes companhias da Ásia e de todo o mundo, a Sony Corporation.

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Figura 4: QRIO Smart Lock

Fonte: Qrio (2018).

O fabricante destaca entre suas principais vantagens, o fato de poder utilizar a fechadura inteligente sem a necessidade de remover outras travas f´ısicas já existentes, além de possuir a melhor tecnologia de criptografia que a Sony tem a oferecer. Com alimentação por 2 a 4 baterias de l´ıtio, sua autonomia energética estimada é de 300 a 600 dias, dependendo da quantidade de baterias utilizadas.

Principais caracter´ısticas e funcionalidades listadas no site do produto: • Dispon´ıvel para dispositivos com o sistema Android 4.4 e versões superiores; • Dispon´ıvel para dispositivos com o sistema iOS 9 e versões superiores; • Compat´ıvel com Apple Watch (sem maiores detalhes de versão); • Compat´ıvel com Sony SmartWatch (sem maiores detalhes de versão);

• Duração média da autonomia energética é de 300 dias, utilizando 2 baterias de l´ıtio; • Utilização de Bluetooth 4.0 (Bluetooth Low Energy);

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Outro ponto destacado pelo fabricante é o fato de que a fechadura pode ser operada e monitorada de qualquer lugar do mundo, desde que em conjunto com outro produto dispon´ıvel (e vendido separadamente), o QRIO Hub, acessório que serve como uma ponte de comunicação entre o smartphone e a fechadura inteligente.

Como desvantagens, é importante verificar que tal fechadura inteligente foi pensada para modelos de porta e travas japoneses e americanos, que diferem dos padrões estabelecidos pelas normas brasileiras ou de outros pa´ıses que utilizem outros padrões. Além disso, não poder controlar o estado da fechadura e monitorar informações estando longe da mesma (no caso, sem um dispositivo adicional, o QRIO Hub), faz com que o preço de uma solução completa seja maior que o sugerido pelo fabricante, caso esse seja o desejo do cliente.

Preço médio: U$180,00 — Situação de mercado: dispon´ıvel

2.5.3 TEO

Diferente dos demais produtos listados nesta seção, o TEO Smart Lockpad (Figura 5) é um produto que surgiu em uma plataforma de financiamento coletivo, porém, que não obteve sucesso no mesmo (OCKCORP, 2018). Outro diferencial seria o fato de não se tratar de uma fechadura, mas sim de um cadeado inteligente, com aplicativo para smartphone e funcionalidades parecidas com os demais produtos pesquisados.

Principais caracter´ısticas e funcionalidades prometidas para o cadeado: • Possibilidade de trav´a-lo e destrav´a-lo, via aplicativo;

• O mecanismo de abertura utilizaria Bluetooth Low Energy (BLE); • Duração média da autonomia energética pretendida é de um ano; • Produto à prova da água;

• Quick Response Code (QR Code), para fornecer informac¸˜oes sobre o produto. Principais caracter´ısticas e funcionalidades prometidas para o aplicativo: • Dispon´ıvel para dispositivos com o sistema iOS;

• Possibilidade de gerar um código de acesso para que outros usuários também operem o cadeado;

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Figura 5: TEO Smart Lockpad

Fonte: OckCorp (2018).

• A duração média da autonomia energética pretendida é de um ano;

• Mapa real, apresentando a localizac¸˜ao de cada um dos cadeados relacionados.

Por se tratar de um produto que não obteve sucesso em seu financiamento coletivo, uma das desvantagens é de que não será poss´ıvel adquiri-lo em uma versão comercial. Além disso, o fato de que seu aplicativo foi originalmente pensado apenas para iOS, pode ter desagradado grande parte de poss´ıveis financiadores.

Prec¸o m´edio: —

Situação de mercado: seu financiamento coletivo não obteve sucesso

2.5.4 AUGUST SMART LOCK

O August Smart Lock (Figura 6) é uma fechadura inteligente fabricada pela empresa August Home, em duas versões: a padrão e a denominada ”PRO” (advinda de ”professional”). Praticamente todas as funcionalidades da versão PRO, segundo o próprio fabricante (AUGUST HOME, 2018), podem ser acessadas da versão padrão, desde que a mesmo seja utilizada acompanhada dos produtos August Connect Wi-Fi Bridge e August Doorbell Cam Pro, também vendidos pela mesma, separadamente.

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Dentre as principais caracter´ısticas listadas, destacam-se a abertura automática da fechadura, assim que o usuário se aproxima, e também o fechamento automático assim que o usuário se afasta da mesma, impedindo que a fechadura seja esquecida destravada. Outro ponto bastante positivo é o recurso nomeado DoorSenseTM, que identifica o estado da fechadura e da porta em tempo real, enviando alertas no caso de a fechadura ter ficado destravada ou que a porta tenha sido esquecida entreaberta.

Demais caracter´ısticas e funcionalidades listadas no site do produto (AUGUST HOME, 2018):

• Controle de acesso via aplicativo de smartphone, dando permiss˜ao para que outras pessoas com o aplicativo instalado possam operar a fechadura;

• Dispon´ıvel para dispositivos com o sistema Android 5 e vers˜oes superiores; • Dispon´ıvel para dispositivos com o sistema iOS 9 e vers˜oes superiores; • Mecanismo de abertura utiliza Bluetooth;

• Mecanismo alternativo de abertura via WIFI, desde que em conjunto com o produto August Connect Wi-Fi Bridge (vendido separadamente);

• Compat´ıvel com Amazon Alexa, desde que em conjunto com o produto August Connect Wi-Fi Bridge (vendido separadamente);

• Compat´ıvel com Google Assistant, desde que em conjunto com o produto August Connect Wi-Fi Bridge (vendido separadamente);

• Alimentação se dá por 4 pilhas do tipo AA;

Segundo o fabricante, outro ponto forte do produto ´e a possibilidade de manter sua fechadura antiga e manual, assim como suas chaves, pois a August Smart Lock pode ser instalada dentro de suas travas antigas, para que o controle se dˆe via Bluetooth, WIFI ou com as antigas chaves f´ısicas.

Uma das principais desvantagens se dá por conta de que muitas das principais e mais interessantes funcionalidades do produto, só estão dispon´ıveis originalmente em sua versão PRO. Além disso, não há informações dispon´ıveis quanto a autonomia energética da fechadura inteligente, nem se há alternativas para a utilização das quatro pilhas do tipo AA. Também não há informações espec´ıficas referentes a se a August Smart Lock é compat´ıvel com qualquer trava antiga que possua chaves ou somente com determinados padrões de fechadura.

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Figura 6: August Smart Lock

Fonte: August Home (2018).

Preço médio: U$150,00 — Situação de mercado: dispon´ıvel

2.5.5 COMPARAC¸ ˜AO ENTRE PRODUTOS

Ao se analisar as principais caracter´ısticas e funcionalidades levantadas por cada um dos produtos pesquisados, fica expl´ıcita a necessidade de que qualquer novo concorrente no segmento de automação e segurança residencial, possua a possibilidade de acionamento sem a utilização de chaves f´ısicas, um aplicativo mobile para smartphones com sistemas lançados nos últimos 5 anos, controle de acesso por usuário e apresentação de informações relevantes sobre o produto instalado.

Assim, entende-se que o produto a ser desenvolvido, possua meios de acionamento e controle de dispositivos de forma remota, assim como apresentação dos dados, por meio de uma interface com o usuário, na forma de um aplicativo. Dessa forma, em adição à busca pela utilização de protocolos, bibliotecas e linguagens open-source, visa-se que tal recurso seja desenvolvido para o sistema Android, com restrição de que a versão m´ınima para uso seja da versão 4.4 (lançada em Outubro de 2013).

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Para que o produto tenha controle de autenticação de usuários e armazenamento de informações, faz-se necessário o uso de bancos de dados. Uma das soluções para atendimento desse ponto, bastante utilizada no mercado para o desenvolvimento de dispositivos móveis, é o Google Firebase, que utiliza os conceitos de banco de dados NoSQL (apresentados na seção 2.3.1), além de algumas outras ferramentas espec´ıficas para gerenciamento de usuários e arquivos. Tais especificações e detalhes serão apresentados nas seções 3.3.1, 3.3.2 e 3.3.3 desse documento.

Apesar dessas escolhas para adequar-se ao já existente no mercado, uma das vantagens analisadas e que não será replicada na primeira versão da fechadura inteligente, é a possibilidade da alimentação via baterias de l´ıtio ou pilhas, o que tornaria o produto mais portátil e não dependente de ligações fixas com uma fonte de energia externa. Tal escolha se deu por conta de que esse item gera um aumento da complexidade do circuito, que por consequência exige um aumento significativo no tempo de desenvolvimento e uma maior quantidade de testes.

Além disso, um dos principais diferenciais do ISL, se dará pelo o uso dos protocolos MQTT-SN e 6LowPan, para comunicação entre os blocos da solução, ao invés da utilização de Bluetooth ou NFC.

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3 MATERIAIS

Uma solução para Internet das Coisas dificilmente envolve apenas um único componente. Normalmente, tais soluções se utilizam de diversas partes conectadas, como: linguagens, bibliotecas, ambientes de desenvolvimento, sensores, softwares, bancos de dados, microcontroladores, entre outros.

Nas seções desse cap´ıtulo, serão apresentados os componentes de hardware e de software que, conectados de forma lógica, compõem todos os módulos da solução IoT Smart Lock, desde seu banco de dados até a fechadura inteligente em si, alocada na instalação do cliente.

3.1 SIMPLELINKTM CC2650 WIRELESS MCU LAUNCHPADTMDEV KIT

De acordo com o site da TEXAS INSTRUMENTS (2018), fabricante do kit de desenvolvimento SimpleLink CC2650 Wireless MCU Launchpad (Figura 7), o produto visa ser uma ótima opção que atenda às tecnologias Bluetooth, ZigBee e 6LoWPAN, contendo um processador ARM CortexR -M3 de 32 bits, que roda a 48 MHz, com diversos recursos.R Segundo a equipe da Texas Instruments, esse controlador de sensores é ideal para controle de sensores externos e para a coleta de dados analógicos e digitais.

Prec¸o: U$29,00

Principais caracter´ısticas e funcionalidades listadas no site do produto:

• Ferramenta on-board para debbug; • 40 pinos dispon´ıveis;

• Licença para uso da Integrated Development Environment (IDE) (ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado, em tradução literal) Code Composer Studio;

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Figura 7: SimpleLink CC2650 wireless MCU LaunchPad Development Kit

Fonte: Texas Instruments (2018).

• Suporte a Bluetooth Low Energy; • Suporte a ZigBee;

• Suporte a 6LowPan.

Além disso, a Texas Instruments possui um site com exemplos de códigos e documentação completa, para servir de guia aos desenvolvedores interessados em criar aplicações que envolvam tal launchpad CC2650.

3.2 RASPBERRY PI 3 MODEL B

O Raspberry PI 3 Model B (Figura 8), microcontrolador desenvolvido pela Raspberry PI Foundation, é definido como uma placa ”pronta para utilização em projetos embarcados já com adaptador Wifi e Bluetooth 4.1 integrados” e ”que se pode chamar de um mini computador, permitindo que você rode editores de texto, planilhas, navegue na internet e até desenvolva programas usando, por exemplo, Python ou Java”, segundo a empresa FilipeFlop (2018), revendedores oficiais do produto no Brasil.

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• Lanc¸amento: Fevereiro de 2016

• Processador: Quad Core 1.2GHz Broadcom BCM2837 64bit CPU • Mem´oria RAM: 1GB • Demais detalhes: – 4 portas USB 2.0; – Entrada HDMI; – 40 pinos GPIO; – Entrada Ethernet;

– Adaptador WIFI 802.11n integrado; – Bluetooth Low Energy (BLE); – Entrada para cart˜ao Micro SD.

Figura 8: Raspberry PI 3 - Model B

Fonte: Raspberry PI Foundation (2018).

Contendo diversos recursos e sendo um tipo de computador ”portátil”, assim como citado na seção 2.3 deste documento, o Raspberry PI 3 Model B é bastante utilizado em projetos

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de Internet das Coisas, onde sua portabilidade e possibilidade de interação com diversos outros dispositivos, são dois dos seus pontos mais fortes para aplicações nessa área.

Prec¸o: R$254,90

3.3 FIREBASE

O t´ıtulo disposto na página inicial do site desse serviço, nos ajuda a entender a principal intenção dos desenvolvedores do mesmo: ”O Firebase auxilia equipes de desenvolvimento de aplicativos mobile à terem sucesso” (GOOGLE FIREBASE, 2018). Assim, mais do que um banco de dados NoSQL, que armazena dados no formato JSON, o Firebase integra diversos subprodutos, com diversas intenções distintas, como: autenticação, armazenamento de arquivos na nuvem, aprendizado de máquina, dados anal´ıticos, entre outros.

Essa gama de recursos integrados, faz do Firebase uma das melhores opções dispon´ıveis para armazenamento de dados e de arquivos em nuvem (BOMAN; TAYLOR; NGU, 2014), e também elimina a necessidade de manter um servidor de banco de dados próprio (AFONSO; SOUSA, 2017), com SQL Server ou MySQL.

3.3.1 FIREBASE REALTIME DATABASE

Pela definição da documentação do Firebase (2018), um dos principais recursos é a base de dados em tempo real, descrita como ”um banco de dados hospedado na nuvem”, que armazena dados como JSON e os sincroniza em tempo real com todos os clientes conectados.

Outro recurso apontado em sua documentação como uma das suas principais vantagens, é a possibilidade de trabalhar com sua API, ”desenvolvida para autorizar apenas operações que possam ser executadas com rapidez” (GOOGLE FIREBASE, 2018). A promessa é de que utilizar a API gera uma ”ótima experiência em tempo real que atende a milhões de usuários sem comprometer a capacidade de resposta”.

3.3.2 FIREBASE AUTHENTICATION

Quando necessária da atualização de métodos de autenticação, uma das alternativas integrantes do produto Firebase, é o Firebase Authentication. Como principais recursos desse serviço, a documentação apresenta a possibilidade de integrar um ou vários métodos de login em um aplicativo, por meio de seu Software Development Kit (SDK).

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• Autenticação baseada em e-mail e senha: possibilitando o registro, validação e envio de e-mails para redefinição de senha;

• Integrac¸˜ao do provedor de identidade federado: como Twitter, Facebook, Google, GitHub, entre outros;

• Autenticação por número de telefone: com envio de SMS para validar a autenticação; • Integração de sistema de autenticação personalizado: caso se deseje criar um método

exclusivo de login, apenas armazenando as informações de login no Firebase; • Autenticação anônima: autenticação via criação de contas anônimas temporárias.

3.3.3 CLOUD STORAGE

Diversas aplicações e sistemas necessitam de armazenamento de arquivos, para garantir a disponibilidade de suas principais funcionalidades. Segundo a equipe do Google Firebase, auxiliar os clientes a realizar esse tipo de operação, é a principal função do Cloud Storage, utilizando ”a segurança do Google para fazer o upload e o download de arquivos nos aplicativos Firebase, independentemente da qualidade da rede”.

As principais vantagens listadas em sua documentação são:

• Operações confiáveis; • Segurança potente; • Alta escalabilidade.

3.4 BIBLIOTECA PAHO-MQTT

A página de apresentação do site do ”Eclipse Paho project” (ou ”Paho-MQTT”) (ECLIPSE PAHO, 2018) indica a intenção de seus desenvolvedores: criar uma solução de código aberto, que auxilie na comunicação via os protocolos de mensagens MQTT e MQTT-SN, em aplicações de Internet das Coisas.

Com documentações para uso em diversas linguagens de programação e aplicações, como C, C++, Java, Python, Android, GO, entre outras, o Paho-MQTT se torna uma opção dispon´ıvel para os mais diferentes sistemas que necessitem se comunicar via protocolo MQTT. Isso porque o mesmo foi criado em JavaScript para ser uma biblioteca que implementa um

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cliente MQTT que utiliza WebSockets para ser conectar a um broker MQTT (ECLIPSE PAHO, 2018).

De acordo com a equipe que mantém o projeto, no site da própria ferramenta (2018), os objetivos do Paho incluem ”desacoplar o n´ıvel de complexidade entre dispositivos e aplicativos, manter os mercados abertos e incentivar o rápido crescimento de aplicativos escaláveis para Web e empresas”.

3.5 BIBLIOTECA ANYCHART

Em constante evolução desde sua criação em 2003, a biblioteca AnyChart, segundo a definição de seus desenvolvedores, é uma ”biblioteca JavaScript leve e robusta para apresentação de gráficos, com uma excelente API, documentação e suporte ao usuário” (ANYCHART GROUP, 2018).

Figura 9: AnyChart - Gr´afico de colunas

Fonte: AnyChart Group (2018).

Sendo uma biblioteca de código aberto (ou seja, os códigos podem ser baixados e editados), em sua página de apresentação no site da companhia, o AnyChart é listado como uma ferramenta que surgiu com a ideia de que ”deveria ser fácil para que qualquer desenvolvedor integre belos gráficos a qualquer produto web, mobile ou desktop”.

Na página do AnyChart no GitHub (ferramenta de versionamento de código) (ANYCHART, 2018), foi disponibilizado pelos próprios desenvolvedores o código de um aplicativo Android simples, utilizado como exemplo da ferramenta, junto de uma documentação

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Figura 10: AnyChart - Gr´afico em pizza

Fonte: AnyChart Group (2018).

simplificada, com diversos exemplos de gráficos gerados pela ferramenta, como o gráfico de colunas (Figura 9) e o gráfico em pizza (Figura 10). A biblioteca AnyChart para Android está sinalizada para rodar na versão do Android 4.4 e superiores.

3.6 CODE COMPOSER STUDIO IDE

Desenvolvido pela Texas Instruments, o Code Composer Studio (CSS) é um ambiente integrado de desenvolvimento, que dá suporte ao microcontroladores e processadores também desenvolvidos pela fabricante.

Atualmente na versão 8, disponibilizada em Março de 2018, essa IDE (Figura 11) combina as vantagens do framework Eclipse com avançados recursos para debbug, resultando em um ambiente de desenvolvimento completo para sistemas embarcados, segunda a própria Texas Instruments.

O site oficial da ferramenta apresenta trˆes dos principais recursos da mesma (TEXAS INSTRUMENTS CSS, 2018):

• Compilador C/C++ otimizado; • Editor de c´odigo fonte;

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Figura 11: Code Composer

Fonte: Texas Instruments CSS (2018).

3.7 ANDROID STUDIO IDE

O Android Studio ”provê as ferramentas mais rápidas para desenvolver aplicativos de qualquer tipo para dispositivos Android”: essa é a definição na pagina inicial do produto, em seu site (GOOGLE ANDROID STUDIO, 2018).

Atualmente na versão 3.1.4 para sistemas Windows, desenvolvido pela própria equipe do Android, ele é a IDE oficial para aplicativos do sistema de mesmo nome. Na Figura 12, são demonstrados alguns dos recursos dispon´ıveis nessa ferramenta.

Os principais recursos listados na documentação online (GOOGLE ANDROID STUDIO, 2018) do Android Studio são:

• Sistema de compilação flex´ıvel baseado no Gradle; • Emulador rápido com inúmeros recursos;

• Ambiente unificado para desenvolvimento para todos os dispositivos Android;

• Recurso Instant Run, para aplicar alterações a aplicativos em execução, sem precisar compilar um novo Android Package (APK);

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• Integrac¸˜ao com a ferramenta GitHub;

• Compatibilidade com a linguagem C++ e Android Native Development Kit (NDK); • Ferramentas de verificação de código suspeito para detectar problemas de desempenho,

usabilidade e incompatibilidade com vers˜oes.

Figura 12: Android Studio

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4 DETALHAMENTO DE FUNCIONALIDADES

O produto IoT Smart Lock (ISL) busca ser uma opção de fechadura inteligente de baixo custo (em relação ao dispon´ıvel no mercado no ano de 2018), para instalações de pequeno porte, como: gavetas, portas de armários e portas internas de residências.

Essa alocação em gavetas e portas de armários é o primeiro ponto de destaque perante aos demais itens comercializados, pois existem diversas soluções para fechaduras padrão de portas (conforme normativas de órgãos reguladores, como a ABNT), porém, poucas delas possuem suporte para serem alocadas em instalações menores, que muitas vezes não possuem a estrutura e a resistência necessária para suportar uma fechadura semelhante à utilizada em uma porta de entrada de uma residência, comumente maior e mais robusta.

Por conta disso, utilizando-se das vantagens e conceitos da Internet das Coisas, o ISL visa fazer com que o cliente possa manter seus pertences em segurança, controlando o estado de suas travas e alarmes remotamente via aplicativo mobile, de qualquer parte do mundo onde o mesmo possua conexão com a Internet, ficando também inteirado das principais informações referentes às instalações onde alocou suas fechaduras.

As duas únicas restrições para a fixação do produto em um determinado local são: existir uma fonte de energia próxima (como uma tomada de 110V ou 220V) e acesso à internet, seja em uma residência ou em um escritório. Assim, buscou-se fazer com que o cliente não precisasse realizar nenhum tipo de manutenção ou procedimento espec´ıfico após a fixação do produto, ficando responsável apenas por interagir com o aplicativo mobile da solução.

Ainda em relação à instalação, fica a cargo do cliente decidir-se pela melhor posição da trava da fechadura inteligente no local desejado, uma vez que o ISL foi idealizado para encaixar-se em diferentes superf´ıcies e ângulos, bastando-se fixá-lo com o aux´ılio de dois a quatro parafusos.

Dessa forma, o ISL se propõe a ser uma alternativa de mercado, que atenda às necessidades daqueles que buscam por mais de segurança aliada à informação, de forma simplificada. Com vários requisitos levados em consideração na sua primeira versão, podem-se

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listar suas principais caracter´ısticas, funcionalidades e diferenciais, da seguinte forma:

• Indicação dos estados do produto, por meio de LEDs na própria fechadura inteligente; • Alarme sonoro contra violações na instalação;

• Não utilização de pilhas ou baterias, tornando desnecessário o investimento cont´ınuo para reposição das mesmas;

• Aplicativo mobile dispon´ıvel para smartphones com o sistema Android (vers˜oes 4.4 ou superiores);

• Aplicativo mobile totalmente em portuguˆes;

• Utilizac¸˜ao do smartphone para controle do estado da fechadura inteligente (tanto trava, quanto alarme), via aplicativo;

• Possibilidade de v´ınculo de centenas de fechaduras por usu´ario, independente de estarem alocadas em locais distintos e distantes;

• Disponibilização de gráficos e relatórios, com possibilidade de apresentação de um vasto número de informações.

Dentre os itens citados anteriormente, é relevante que o usuário venha a ter conhecimento das funcionalidades dispon´ıveis no aplicativo mobile desenvolvido para o sistema Android, assim como saber quais são os poss´ıveis estados indicados pelos LEDs da fechadura inteligente. Esses dois itens serão detalhados nas próximas seções.

Além disso, foi disponibilizado na plataforma Youtube, dois v´ıdeos demonstrando a interação entre a fechadura inteligente ISL e o seu respectivo aplicativo mobile, fazendo-se uso das principais funcionalidades da solução. Dispon´ıveis nos links públicos https://youtu.be/ZE-m1RzvKVk e https://youtu.be/bh1wy4CeBP4, na data de 05/11/2018.

4.1 APLICATIVO MOBILE

Ao realizar o download do aplicativo IoT Smart Lock em seu smartphone, o cliente que tenha instalado a fechadura inteligente ganha acesso a uma completa gama de funcionalidades da solução. Isso porque é no aplicativo mobile que se poderá realizar a autenticação de um usuário já previamente cadastrado (ou se realizar a criação de um novo login, caso ainda não

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o possua), vincular fechaduras inteligentes, controlar o estado da trava das mesmas, ativar ou desativar o alarme contra violações, além de verificar informações relevantes.

Tal aplicativo é composto por sete telas principais, cada qual com suas funcionalidades e informações espec´ıficas, originalmente desenhadas para serem simples, do ponto de vista de conter a menor quantidade de botões e opções dispon´ıveis, porém, mantendo todas as funcionalidades que a solução ISL se propõe a realizar. Essa busca pela simplicidade foi motivada pelo fato de que o produto visa ser de rápida instalação e rápida absorção de informações por parte do usuário, fazendo com que o mesmo possa sentir-se seguro e confiante no seu uso, independente de seu n´ıvel de conhecimento perante as modernas tecnologias e conceitos utilizados na solução do produto.

No apêndice A desse documento, nas Figuras 31 à 38, são apresentadas as variações das sete telas detalhadas nas próximas subseções.

4.1.1 TELA DE ABERTURA

Ao iniciar a aplicação, o usuário é apresentado à tela de abertura do sistema, contendo a logo do produto e o indicador da versão atual do mesmo, no canto inferior direito, conforme Figura 13.

Figura 13: IoT Smart Lock - tela de abertura

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4.1.2 TELA DE AUTENTICAC¸ ˜AO (LOGIN)

Na primeira tela com possibilidade de interação por parte do usuário (Figura 14), são apresentados os campos para inserção dos dados de login previamente cadastrados (e-mail e senha), para que o sistema possa validar suas informações e autenticá-lo.

Figura 14: IoT Smart Lock - tela de login

Fonte: Autoria pr´opria.

Figura 15: IoT Smart Lock - tela de cadastro de usu´ario

Caso não se possua um cadastro prévio no ISL, o usuário poderá clicar no botão ”Registrar-se”, sendo direcionado a uma variação da tela de login, para que o mesmo consiga realizar um novo cadastro, informando um e-mail válido e uma senha de ao menos 6 caracteres,

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conforme Figura 15. Ao se obter sucesso na realização desse novo cadastro, o usuário será autenticado e direcionado à próxima tela automaticamente.

4.1.3 TELA DE LISTAGEM DE INSTALAC¸ ˜OES

Após realizar a autenticação dos dados de login, o aplicativo apresenta a lista de instalações do usuário que tiveram fechaduras inteligentes vinculadas e cadastradas, além das informações básicas referentes a cada um dos itens da lista, como: estado da instalação (aberta ou fechada), da trava (aberta ou fechada) e do alarme (ON ou OFF).

As informações das instalações são atualizadas todas as vezes em que o usuário acessa essa tela, ou também quando clica-se no ´ıcone de atualização manual presente no canto superior direito da mesma (conforme Figura 16).

Caso ainda não tenha sido feito nenhum cadastro de v´ınculo entre fechadura inteligente e uma instalação, o ´ıcone ”+”, disponibilizado no canto inferior direito, permite que o usuário seja direcionado à tela de cadastro de nova instalação, apresentada na próxima subseção desse documento.

Figura 16: IoT Smart Lock - listagem de instalac¸˜oes

4.1.4 TELA DE ADIÇ ÃO DE NOVA INSTALAÇ ÃO

Todo novo v´ınculo entre instalação e fechadura inteligente, necessita de três informações obrigatórias: nome, descrição e ”MQTT ID”, que nesse caso é o código serial do produto, disponibilizado na parte inferior da fechadura inteligente instalada. A tela da Figura

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17 apresenta então os campos de entrada de dados e o botão para confirmação da adição de nova instalação.

Caso essas informações não sejam devidamente inseridas, mensagens de erro correspondentes serão apresentadas, alertando pelas suas necessidades de preenchimento.

Figura 17: IoT Smart Lock - inserção de nova instalação

4.1.5 TELA DE DETALHES DA INSTALAC¸ ˜AO

Ao clicar-se em um dos itens apresentados na tela de listagem de instalações, o usuário é direcionado para a tela de apresentação dos detalhes da instalação e de sua fechadura inteligente vinculada (Figura 18). Dentre as informações apresentadas, tem-se:

• Nome da instalação; • Descrição;

• Estado da instalação (”Aberta”ou ”Fechada”); • MQTT ID (código serial da ISL vinculada);

• Momento da última interação do usuário com a fechadura inteligente, via aplicativo. Além disso, quatro botões são disponibilizados, para que seja poss´ıvel alterar o estado atual da trava vinculada à instalação, ativar ou desativar o alarme da fechadura inteligente e direcionar-se às telas informativas com dados apresentados em gráficos e relatórios.

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Figura 18: IoT Smart Lock - detalhes da instalac¸˜ao

No topo da tela, junto ao t´ıtulo, dois botões são disponibilizados para permitir que se editem as informações da instalação cadastrada, assim como permitir a exclusão da mesma.

Caso seja do desejo do usuário, pode-se adicionar uma foto ou imagem para tal cadastro, bastando que se clique sobre a imagem padrão (ou sobre a imagem previamente inserida, caso se queira alterá-la), escolhendo uma foto presente no smartphone.

4.1.6 TELA DE GR ÁFICOS REFERENTES A DADOS DA INSTALAÇ ÃO

Tela responsável por exibir os gráficos referentes aos dados gerados pela fechadura inteligente ISL a partir do momento da instalação e v´ınculo da mesma no aplicativo (conforme Figura 19).

Possui três variações, uma vez que são três os gráficos distintos que podem ser gerados. São eles:

• Gráfico da quantidade de vezes que a instalação foi aberta no dia corrente (por per´ıodo do dia);

• Gráfico da quantidade de vezes que a instalação foi aberta no mês corrente (por dia); • Gráfico da quantidade de vezes que a instalação foi aberta no ano corrente (por mês).

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Figura 19: IoT Smart Lock - tela de gráficos referentes a instalação

4.1.7 TELA DE RELAT ÓRIOS REFERENTES A DADOS DA INSTALAÇ ÃO

Assim como a tela de gráficos, a tela de exibição de relatórios (Figura 20) também apresenta informações referentes aos dados gerados pela ISL a partir do momento da instalação e v´ınculo da mesma, porém, na forma de três relatórios distintos:

Figura 20: IoT Smart Lock - tela de relatórios referentes a instalação

• Relatório dos momentos (data e hora) em que a instalação foi aberta;

• Relat´orio dos momentos (data e hora) em que o alarme da fechadura inteligente foi disparado;

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• Relatório dos momentos (data e hora) em que a instalação foi esquecida aberta (pelo per´ıodo de 30 minutos).

Esses relatórios, assim como os gráficos da subseção anterior, são gerados novamente com dados atualizados, toda a vez que se adentram nessas telas.

4.2 FECHADURA INTELIGENTE

A fechadura inteligente ISL, possui quatro LEDs de cores distintas (branco, azul, verde e vermelho), cada qual indicando uma situac¸˜ao espec´ıfica quando acesos ou apagados, da seguinte forma:

• Led Azul: ao piscar intermitentemente a cada 0.5s, indicará que o alarme foi disparado, ou seja, há uma violação da instalação em curso;

• Led Branco: se aceso, indicará que o alarme do ISL está ativado; • Led Vermelho: se aceso, indicará que a trava está no estado “fechada”; • Led Verde: se aceso, indicará que a trava está no estado “aberta”.

Nas Figuras 21, 22 e 23, de acordo com os estados detalhados anteriormente, apresenta-se o prot´otipo da fechadura inteligente em trˆes estados, respectivamente:

1. N˜ao instalada;

2. Instalada, com a trava fechada e alarme ativo; 3. Instalada, com a trava aberta e alarme inativo.

Já na Figura 43 do apêndice F, pode-se visualizar o circuito eletrônico criado para o ISL.

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Figura 21: Prot´otipo da fechadura inteligente ISL

Figura 22: Fechadura inteligente ISL - trava fechada e alarme ativo

Figura 23: Fechadura inteligente ISL - trava aberta e alarme inativo

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5 IMPLEMENTAC¸ ˜AO

Estar alinhado aos mais recentes conceitos da Internet das Coisas é o principal desafio, mas também umas das principais vantagens do IoT Smart Lock em relação aos demais produtos dispon´ıveis no mercado. Fazer parte dessa primeira geração de dispositivos de IdC, ainda mais em um segmento que necessita da confiança do usuário, como é o caso da automação e segurança residencial, faz com que as escolhas de desenvolvimento tenham de ser feitas com muita cautela.

Nas próximas seções, serão demonstrados os requisitos levantados para a primeira versão do produto, um diagrama em blocos contendo todas as partes que compõem o ISL, além de subseções individuais, detalhando cada um dos componentes listados no diagrama de blocos, no formato de um fluxo completo de operação, desde o momento em que o cliente realiza uma ação no aplicativo mobile, até o momento em que a fechadura inteligente recebe a mensagem referente a essa ação, alterando seu próprio estado ou o estado da instalação onde ela está alocada.

5.1 REQUISITOS

Levando em consideração a segurança necessária para instalações de pequeno porte e também ao se comparar com os demais produtos que já são comercializados no mercado, entendendo que a solução deva priorizar pela simplicidade, baixo custo e estar alinhada com protocolos e conceitos abordados pelos estudos referentes à Internet das Coisas, o ISL foi idealizado para atender aos seguintes requisitos:

• Disponibilizar uma forma para que o usuário controle a trava de suas instalações, sem a utilização de chaves f´ısicas;

• Tornar poss´ıvel a ativação e a inativação do alarme da fechadura inteligente, de forma remota;