Soluções de suporte ao armazenamento de bens pessoais

(1)

Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática 2017

Rita Reis

e Rego

Solu¸

c˜

oes de suporte ao armazenamento de bens

pessoais

(2)

(3)

Universidade de Aveiro Departamento deElectrónica, Telecomunica¸cões e Informática 2017

Rita Reis

e Rego

Solu¸

c˜

oes de suporte ao armazenamento de bens

pessoais

Disserta¸cão apresentada à Universidade de Aveiro para cumprimento dos re-quisitos necessários à obten¸cão do grau de Mestre em Engenharia Eletrónica e Telecomunica¸cões, realizada sob a orienta¸cão cient´ıfica do Professor Doutor José Alberto Fonseca, Professor Associado do Departamento de Eletrónica Telecomunica¸cões e Informática da Universidade de Aveiro.

(4)

(5)

o j´uri / the jury

presidente / president Professor Doutor Ant´onio Rui de Oliveira e Silva Borges Professor Associado da Universidade de Aveiro

vogais / examiners committee Professor Doutor Jos´e Alberto Gouveia Fonseca

Professor Associado da Universidade de Aveiro (Orientador)

Professor Doutor Paulo Jos´e Lopes Machado Portugal

(6)

(7)

agradecimentos Primeiramente, quero agradecer ao meu orientador, Professor José Alberto Fonseca, pela oportunidade que me deu em desenvolver este projeto em contexto empresarial, pela incansável motiva¸cão no tema e pela confian¸ca. A toda a equipa de Hardware da Micro I/O (Andreia, Daniel, Danilo, Lu´ıs, Miguel, Mestre, Nelson, Pedro), ao Ilan e ao Rui Rebelo, pela integra¸cão excecional, pelos conselhos, pela enorme ajuda sempre prestada, compa-nheirismo e, principalmente, pelo conhecimento que me transmitiram. Um agradecimento especial aos meus pais e irmão, pelo apoio incondicional, pelos valores que me transmitiram, confian¸ca, paciência, ajuda e conselhos que me deram ao longo de toda esta etapa. À restante fam´ılia agrade¸co a compreensão da minha ausência em alguns momentos e a união.

Ao João agrade¸co pela for¸ca e ânimo que sempre me deu em todos os momentos, pelo carinho e pela tolerância sempre demonstrada.

Por fim, mas não menos importante, agrade¸co a todos os meus amigos mais chegados, que sempre estiveram presentes mesmo quando eu não ti-nha tempo para eles, pela enorme amizade. Um agradecimento especial à Daniela pelo percurso que fizemos juntas, sempre muito leal.

(8)

(9)

palavras chave Bluetooth Low Energy, Android Studio, RN4020, PIC32, HMI, Internet of Things, WPAN

Resumo Num mundo em que tudo se pode conectar, na perspectiva da Internet das Coisas, faz sentido pensar-se que vantagens podem advir ao comunicar-se com um objeto em tempo real e à distância. É neste sentido que surge o trabalho realizado no presente projeto de mestrado. Em parceria com a Micro I/O introduziu-se a tecnologia Bluetooth Low Energy nos cacifos eletrónicos, outrora desenvolvidos pela mesma. Estes estavam preparados para funcionar a partir do reconhecimento dos utilizadores mediante o uso dos respetivos cartões e pela intera¸cão com o ecrã touchscreen integrado no sistema.

Aliado à integra¸cão do Bluetooth Low Energy nos cacifos, neste caso sob a integra¸cão do módulo RN 4020 da Microchip, surge o desenvolvimento de uma aplica¸cão Android que utiliza essa tecnologia para comunicar com os mesmos. Esta comunica¸cão permite gerir os utilizadores do sistema, bem como o estado de ocupa¸cão dos cacifos, tornando assim esta intera¸cão mais simplificada por parte do utilizador. Os dados dos utilizadores a gerir foram armazenados numa EEPROM também integrada no sistema.

Ao longo do documento descreve-se toda implementa¸c˜ao do projeto a n´ıvel de Hardware, Firmware e Software.

Foram feitas diversas análises de performance do sistema, desde o alcance da comunica¸cão BLE ao estudo da utiliza¸cão da aplica¸cão pelo utilizador, passando também pela medi¸cão de tempos de comunica¸cão com diversos dispositivos em diferentes situa¸cões.

(10)

(11)

keywords Bluetooth Low Energy, Android Studio, RN4020, PIC32, HMI, Internet of Things, WPAN

Abstract In a world where everything can be connected through the Internet of Things perspective, it is inevitable to think of the advantages of communicating with an object in real time. It is based in this idea that this master’s project comes up in a partnership with Micro I / O. Bluetooth Low Energy technology was introduced in electronic lockers, once developed by this company. These were done in a way so that the users were recognized by using their cards and they could interact with the lockers through a touchscreen.

Combined with the inclusion of Bluetooth Low Energy in the lockers, in this case under the integration of RN4020, a Microchip module, it was developed an Android application that uses this technology to communicate with the system. This communication allows to manage information about users, as well as the availability status of the lockers, thus making the interaction simplified for the user. The users data to manage is stored in an EEPROM also integrated in the system.

Throughout the document is described all the implementation process about Hardware, Firmware and Software.

Tests and results about BLE range, user interaction, measurement of com-munication time with different devices in a variety of situations are also presented in this document.

(12)

(13)

Conte´

udo

Conte´udo i

Lista de Figuras v

Lista de Tabelas vii

Acrónimos ix 1 Introdu¸cão 1 1.1 Motiva¸cão . . . 1 1.2 Objetivos . . . 2 1.3 Organiza¸cão do Documento . . . 2 1.4 Contributos . . . 3 2 Estado da Arte 5 2.1 Solu¸cões comerciais . . . 5

2.1.1 Micro I/O . . . 5

2.1.1.1 Smart Locker - Micro I/O . . . 6

2.1.2 Solu¸c˜ao da Kimaldi . . . 8

2.1.3 Smartalock . . . 9

2.1.4 Solu¸c˜ao da Salto - XS4 Locker lock . . . 10

2.1.5 Aussie Lockers . . . 12

2.1.6 VLocker . . . 13

2.1.7 Sistema de Cacifos Multifuncional . . . 14

2.2 Comuni¸c˜oes sem fios para interface . . . 15

2.2.1 BLE - Bluetooth Low Energy . . . 15

(14)

2.2.2 Wi-Fi . . . 20

2.2.3 NFC - Near Field Communication . . . 21

2.3 Solu¸cões de armazenamento de dados offline - Memória não volátil . . . 22

2.3.1 Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) . 23 2.3.2 Mem´oria Flash . . . 24

3 Requisitos e Arquitetura Inicial 25 3.1 Descri¸c˜ao do projeto na sua fase inicial . . . 25

3.2 Requisitos do Projeto . . . 29

3.3 Arquitetura B´asica do Novo Sistema . . . 29

4 Desenvolvimento do M´odulo Central de Controlo 33 4.1 Arquitetura detalhada . . . 33

4.1.1 Integra¸c˜ao do M´odulo BLE - RN 4020 . . . 36

4.1.2 EEPROM . . . 41

4.2 Firmware Desenvolvido . . . 42

4.2.1 Comunica¸c˜ao via BLE . . . 42

4.2.2 Processador de Comandos . . . 44

4.2.3 Intera¸c˜ao com EEPROM . . . 48

5 Software - Aplica¸cão Android 51 5.1 Aplica¸cão Móvel - Visão Geral . . . 51

5.2 Comunica¸c˜ao BLE entre RN4020 e Smartphone . . . 53

6 Ensaios e An´alise de Resultados 59 6.1 Testes realizados e resultados obtidos . . . 59

6.1.1 Teste 1 - Alcance . . . 59

6.1.2 Teste 2 - Consumos energ´eticos . . . 61

6.1.3 Teste 3 - Vulnerabilidade das Liga¸cões e correspondente Comunica¸cão 62 6.1.4 Teste 4 - Tempos de Comunica¸cão . . . 66

6.1.5 Teste 5 - Testes de Stress . . . 68

6.2 An´alise dos Resultados . . . 74

6.2.1 An´alise ao Teste 1 . . . 74

6.2.2 An´alise ao teste 2 . . . 75

(15)

6.2.4 Análise ao teste 4 . . . 77 6.2.5 Análise ao teste 5 . . . 79 6.3 Conclusões gerais dos testes . . . 79

7 Conclus˜oes e Trabalhos Futuros 81

7.1 Conclus˜oes sobre o trabalho realizado . . . 81 7.2 Trabalhos futuros . . . 82

(16)

(17)

Lista de Figuras

2.1 Ultima vers˜´ ao Smart Locker, Micro I/O . . . 7 2.2 Fechadura desenvolvida pela Kimaldi. (Fonte: Brochura do produto d´ıspon´ıvel

no site da empresa) . . . 8 2.3 Fechadura desenvolvida pela Salto. (Fonte:

https://www.saltosystems.com/en/product-range/productitem/xs4-locker-lock) . . . 11 2.4 Pre¸cos Aussie Lockers (Fonte: http://www.aussielockers.com.au/pricing.html,

a 22-08-2017 . . . 13 2.5 Rela¸c˜ao entre os trˆes tipos de Bluetooth (Fonte: Bluetooth Special Interest

Group (SIG)) . . . 16 2.6 Pilha Protocolar do BLE (Fonte: “Introducing Bluetooth Smart, Part 1: A

look at both classic and new technologies.”) . . . 17 2.7 Arvore de mem´´ orias do tipo MOS (Fonte:“Introduction to Flash Memory”) . 23 3.1 Layouts da aplica¸c˜ao que permite a intera¸c˜ao dos utilizadores com os cacifos

na sua fase inicial, a partir do Liquid Crystal Display (LCD) touchscreen. . . 26 3.2 Esquema representativo da parte eletrónica dos cacifos Smart Locker . . . . 27 3.3 Esquema da Arquitetura Básica do presente projeto. . . 30 3.4 Primeira abordagem à arquitetura do novo sistema. . . 31 3.5 Diagrama de fluxo do projeto desenvolvido. . . 32 4.1 Desenho da placa Human-Machine Interface (HMI) no seu estado final. Projeto

desenhado com recurso ao Eagle. . . 34 4.2 Módulo BLE utilizado: RN4020 da Microchip. (Fonte: Datasheet RN4020) . 36 4.3 Esquema da constitui¸cão do módulo RN4020. (Fonte: Datasheet RN4020) . . 37 4.4 Esquema dos pinos de liga¸cão do módulo RN4020. (Fonte: Datasheet RN4020) 39 4.5 Diagrama de liga¸cões proposto pela Microchip. (Fonte: Datasheet RN4020) . 39

(18)

4.6 Esquemático de integra¸cão do módulo BLE na HMI. . . 40

4.7 M´aquina de Estados do funcionamento geral do m´odulo BLE. . . 43

4.8 Campos dos comandos definidos no projeto e respetivas tramas de resposta sob forma de tabela. - Parte 1 . . . 45

4.9 Campos dos comandos definidos no projeto e respetivas tramas de resposta sob forma de tabela. - Parte 2 . . . 46

5.1 Aplica¸c˜ao desenvolvida na sua fase final. . . 52

5.2 Exemplo de mensagem do tipo toast. . . 53

5.3 Diagrama funcional da aplica¸c˜ao na sua fase final. . . 56

5.4 Mensagens toast geradas no caso de Login falhar . . . 57

5.5 Exemplo de mensagem toast que surge quando é necessário informar o utiliza-dor que não existem cacifos livres. . . 58

6.1 Aplica¸c˜ao em modo teste . . . 69

6.2 Ficheiro gerado na aplica¸c˜ao em modo teste - Situa¸c˜ao A . . . 70

6.3 Ficheiros gerados na aplica¸c˜ao em modo teste - Situa¸c˜ao B . . . 71

6.4 Ficheiros gerados na aplica¸c˜ao em modo teste - Situa¸c˜ao C . . . 73

(19)

Lista de Tabelas

4.1 Exemplos de comandos ASCII suportados pela interface Universal Asynchro-nous Receiver/Transmitter (UART). Fonte: Datasheet do módulo RN4020 . . 38 4.2 Liga¸cões dos pinos do RN4020. . . 41 4.3 Liga¸cões dos pinos da EEPROM ao PIC ou à alimenta¸cão. . . 42 5.1 Associa¸cão entre nomes dos comandos em 5.3 e as suas fun¸cões . . . 55 6.1 Valores de RSSI consoante a distância ao módulo em ambiente aberto. -

Am-biente 1 . . . 60 6.2 Valores de RSSI consoante a distˆancia aos cacifos em ambiente fechado.

-Ambiente 2 . . . 61 6.3 Corrente consumida pela placa HMI consoante diversos estados de

funciona-mento do módulo RN4020. . . 62 6.4 Ensaios de conexões, envios de comandos e rece¸cão de comandos resposta

-Situa¸cão A . . . 63 6.5 Ensaios de conexões, envios de comandos e rece¸cão de comandos resposta

-Situa¸cão B . . . 64 6.6 Ensaios de conexões, envios de comandos e rece¸cão de comandos resposta

-Situa¸cão C . . . 64 6.7 Dois dispositivos Android em teste simultâneo da Situa¸cão A e varia¸cão do

per´ıodo de liga¸cão . . . 65 6.8 Três dispositivos Android em teste simultâneo da Situa¸cão A e varia¸cão do

per´ıodo de liga¸cão . . . 66 6.9 Medi¸cão de tempos de liga¸cões e envio de comandos para diferentes quantidades

(20)

6.10 Medi¸cão de tempos de liga¸cões e envio de comandos para diferentes quantidades de comandos enviados. - Samsung Galaxy Tab S . . . 68 6.11 Medi¸cão de tempos de liga¸cões e envio de comandos para diferentes quantidades

de comandos enviados. - Samsung Galaxy J5 . . . 68 6.12 Estimativa da probabilidade da comunica¸c˜ao com o m´odulo falhar com 3

dis-positivos Android em simultâneo. . . 77 6.13 S. C. D. Médio para os diferentes dispositivos Android . . . 78 6.14 Tempo Total Médio, em ms, para os diferentes cenários e dispositivos Android 78

(21)

Acr´

onimos

PCB Printed Circuit Board HMI Human-Machine Interface RFID Radio-Frequency Identification I2C Inter-Integrated Circuit

LCD Liquid Crystal Display BLE Bluetooth Low Energy NFC Near Field Communication SIG Special Interest Group IoT Internet of Things USB Universal Serial Bus HCI Host Controller Interface

ISM Industrial, Scientific and Medical

L2CAP Logical Link Control and Adaptation Protocol ATT Attribute Protocol

GATT Generic Attribute Profile GAP Generic Access Profile UUID Universally Unique Identifier CCC Client Characteristic Configuration

(22)

GFSK Gaussian Frequency-Shift Keying WLAN Wireless Local Area Networks MAC Media Access Control

BSS Basic Service Set

AP Access Point

STA Wireless Station

DS Distribution System

ESS Extended Service Set NFC Near Field Communication

P2P Peer-to-Peer

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory SPI Serial Peripheral Interface

CMOS Complementary Metal–Oxide–Semiconductor WPAN Wireless Personal Area Network

ROM Read-Only Memory

MOS Metal–Oxide–Semiconductor MLDP Microchip Low-Energy Data Profile

UART Universal Asynchronous Receiver/Transmitter GPIO General Purpose Input/Output

ADC Analog to Digital Converter API Aplication Programming Interface

ASCII American Standard Code for Information Interchange

(23)

IDE Integrated Development Environment RSSI Received Signal Strength Indication

(24)

(25)

Cap´ıtulo 1

Introdu¸

c˜

ao

Neste cap´ıtulo encontram-se definidos a motiva¸c˜ao e o contexto do desenvolvimento da presente disserta¸c˜ao.

1.1 Motiva¸

c˜

ao

A existência de um local para armazenar bens pessoais é imprescind´ıvel em inúmeras si-tua¸cões. Seja numa empresa, escola, universidade, institui¸cão, ou até mesmo numa casa, é sempre necessário haver um lugar espec´ıfico para guardar os bens pessoais dos seus mem-bros ou utentes. Caso se trate de um espa¸co que, pelo seu propósito ou natureza, lide com um número considerável de pessoas, os sistemas mais comummente utilizados para guardar pertences das mesmas nesse espa¸co são os cacifos.

Os cacifos são um sistema bastante antigo que não foi evoluindo muito com o avan¸co da tecnologia. Habitualmente quando se fala em cacifos referimo-nos aos sistemas de portas com uma fechadura manual, seja cadeado ou chave. No entanto, já é poss´ıvel encontrarem-se algumas solu¸cões tecnológicas para os mesmos. Estas, poderão ter associadas a si uma utiliza¸cão mais simples, segura e até mais agradável para o utilizador.

Face a este panorama, a empresa Micro I/O em parceria com a Guialmi, desenvolveu um sistema de cacifos eletrónicos que utilizam a tecnologia Radio-Frequency Identification (RFID). Os seus utilizadores são reconhecidos pelo cartão que possuem e interagem com eles após a autentica¸cão realizada com o leitor RFID embutido no sistema. Este também integra um ecrã LCD touchscreen que permite uma utiliza¸cão simples e rápida durante o processo de recolha de bens de um cacifo.

(26)

apresenta dois inconvenientes principais: os utilizadores dos cacifos necessitam de ter sempre um cartão para os poder utilizar e a poss´ıvel forma¸cão de longas filas de espera para utilizar os cacifos uma vez que só existe um terminal de intera¸cão com os mesmos, o ecrã LCD.

Neste sentido, foi proposto o desenvolvimento do presente projeto, numa parceria entre o Departamento de Eletrónica e Telecomunica¸cões e a Micro I/O, na tentativa de colmatar os problemas apresentados anteriormente e de tornar os cacifos mais versáteis.

1.2 Objetivos

O principal propósito desta disserta¸cão é solucionar os problemas anteriormente mencio-nados aplicando fundamentos de engenharia. No término deste projeto o sistema desenvolvido pela Micro I/O deverá ter novas funcionalidades, ser poss´ıvel aplicá-lo em ambientes diferentes e, deste modo, alcan¸car também outros segmentos do mercado.

Os objetivos inerentes a este projeto s˜ao os seguintes:

• Desenvolver um sistema que permita a intera¸cão com os cacifos, evitando assim a forma¸cão de filas de espera desnecessárias à utiliza¸cão dos mesmos;

• Estudar diversas possibilidades de solu¸c˜ao para este problema; • Fundamentar e justificar a solu¸c˜ao encontrada para o problema.

1.3 Organiza¸

c˜

ao do Documento

O presente documento está dividido em sete cap´ıtulos e estes, por sua vez, em subcap´ıtulos. O primeiro cap´ıtulo refere-se à contextualiza¸cão do projeto, à sua razão e aos objetivos do mesmo. O segundo é o Estado da Arte, no qual são apresentadas as circunstâncias em que o projeto foi desenvolvido, o panorama tecnológico atual deste tipo de sistemas e as solu¸cões semelhantes existentes no mercado. O terceiro cap´ıtulo apresenta, em geral, o estado do sistema desenvolvido pela Micro I/O e a solu¸cão encontrada para o problema inicial. No quarto cap´ıtulo é feita uma análise detalhada de todo o desenvolvimento do projeto a n´ıvel de hardware e de firmware, do seu módulo central de controlo. No cap´ıtulo cinco é explicada toda a informa¸cão relativa à aplica¸cão Android concebida. No cap´ıtulo seis são apresentados os testes feitos no âmbito do projeto e os respetivos resultados. Por último, no sétimo cap´ıtulo são apresentadas as conclusões do trabalho desenvolvido e sugestões para eventuais trabalhos futuros.

(27)

1.4 Contributos

Este projeto só foi poss´ıvel gra¸cas à importante presen¸ca e interven¸cão da empresa Micro I/O, que disponibilizou os cacifos desenvolvidos, toda a eletrónica a si aliada, bem como o firmware confidencial, outros materiais e as condi¸cões necessárias para o desenvolvimento e concretiza¸cão deste projeto. Destaque-se também a Guialmi, que produziu a estrutura f´ısica dos cacifos e desse modo contribuiu para o projeto. Sublinhe-se ainda o contributo essencial da Universidade de Aveiro, que proporcionou esta parceria, possibilitando assim o desenvolvimento e conclusão desta disserta¸cão de mestrado.

(28)

(29)

Cap´ıtulo 2

Estado da Arte

2.1 Solu¸

c˜

oes comerciais

A presente disserta¸cão e os objetivos definidos levaram à realiza¸cão de um pequeno estudo do mercado de cacifos eletrónicos. Só assim foi poss´ıvel prever a viabilidade do projeto e o sucesso que se poderia alcan¸car.

Seguidamente é analisada em detalhe a pesquisa efetuada que permitiu perceber o que poderia ser melhorado nos cacifos já existentes e, assim, tomarem-se decisões ajustadas ao rumo do projeto.

2.1.1 Micro I/O

A Micro I/O é uma empresa de eletrónica que nasceu na Incubadora de Empresas da Universidade de Aveiro (IEUA), especializada na cria¸cão de sistemas de gestão integrada e solu¸cões de software e hardware à medida e detentora de patentes a n´ıvel nacional e interna-cional, em algumas das suas áreas de atividade chave.

A solu¸cão de sistemas integrados de gestão, desenvolvida pela Micro I/O sob o conceito de Unicard, direcionada a escolas, universidades, munic´ıpios e empresas, trouxe-lhe bastante visibilidade e reconhecimento na área, tratando-se de uma solu¸cão, já implementado em mais de 500 institui¸cões de ensino, em Portugal, Angola, Brasil e México. O sistema permite a monitoriza¸cão e gestão de acessos e utiliza¸cão de múltiplos servi¸cos, como cantinas, cafetarias, máquinas de vending, fotocopiadoras e outros, recorrendo para isto a tecnologia RFID, para leitura de cartões de utilizador.

(30)

destacando-se sistemas de controlo de acessos que integram RFID ou biometria, telemetria em máquinas de vending e dispensadores, solu¸cões de pagamento em numerário ou cashless e controladores de portas.

Adicionalmente, através do consórcio CitiBrain de que faz parte, a Micro I/O tem também mantido uma presen¸ca notável na área das Cidades Inteligentes, aprofundando a sua inves-tiga¸cão e desenvolvimento (I&D) em áreas como: Internet das Coisas, Redes de Nova Gera¸cão (LPWAN), Servi¸cos Cloud, Interoperabilidade de Sistemas e Data Analytics. Nesta vertente, têm-se desenvolvido diversas solu¸cões, das quais se destacam sistemas de monitoriza¸cão do trânsito, estacionamento inteligente, monitoriza¸cão de contentores de lixo, partilha de bicicle-tas elétricas, cacifos, monitoriza¸cão ambiental e redes de comunica¸cão metropolitana de nova gera¸cão [1].

2.1.1.1 Smart Locker - Micro I/O

Um dos sistemas desenvolvidos na Micro I/O em parceria com a Guialmi, uma empresa de Águeda especializada no fabrico de produtos metálicos (armários, mesas e secretárias, blocos, entre outros) dirigidos a espa¸cos de trabalho e bibliotecas, são os cacifos Smart Locker. Fortemente marcados pela sua vertente tecnológica, são bastante versáteis e robustos. É de destacar que toda a estrutura f´ısica dos cacifos, armário metálico, e respetivo desenho é trabalho da Guialmi. Por outro lado, toda a eletrónica de controlo é da autoria da Micro I/O.

A última versão dos cacifos, já comercializada no mercado nacional e internacional, será caracterizada seguidamente.

Os cacifos Smart Locker desenvolvidos previamente ao presente projeto, podem ser utili-zados em diversos ambientes: escolas, universidades, ginásios, empresas, aeroportos, esta¸cões de transportes públicos, entre outros. Neste sentido, a sua integra¸cão em institui¸cões que já usufruam do sistema Unicard ou semelhante poderá ser bastante benéfica. O mesmo controlo de acessos que é feito em todos os servi¸cos disponibilizados pela institui¸cão também é pass´ıvel de ser aplicado à utiliza¸cão dos cacifos.

O projeto Smart Locker, desde a sua génese, sofreu várias altera¸cões e aperfei¸coamentos. Atualmente, o equipamento tem uma consola principal que autentica cada utilizador e dá or-dem de abertura ou fecho a cada uma das portas consoante o que foi requerido pelo utilizador. A última versão dos cacifos está apresentada sob forma de fotografia na figura 2.1.

(31)

Figura 2.1: ´Ultima vers˜ao Smart Locker, Micro I/O

seguro e uma intera¸c˜ao com o utilizador bastante simples.

Quanto à implementa¸cão técnica deste equipamento, destaca-se a existência de três módulos principais do sistema: o cacifo (que pressupõe uma tranca, sensor de abertura da porta e uma Printed Circuit Board (PCB) que o controla), o módulo central do sistema (a placa mãe de-nominada de HMI, o LCD touchscreen que permite a intera¸cão do utilizador com o sistema, o leitor RFID que permite a leitura dos cartões dos utilizadores) e a base de dados para armazenar informa¸cão relativa aos utilizadores e estado de ocupa¸cão dos cacifos.

Os cacifos são controlados pela placa mãe, a HMI, via Inter-Integrated Circuit (I2C), cuja cablagem é instalada dentro do armário do cacifo. A placa principal tem capacidade para comunicar com até 127 cacifos. O equipamento é alimentado pela rede elétrica de 230V com um transformador de 12V DC. O ecrã LCD, parte integrante do módulo central do sistema, serve de meio de intera¸cão entre o sistema e o utilizador. A partir desta intera¸cão e recorrendo `

a HMI e à Raspberry Pi Compute Module integrada na mesma, é poss´ıvel aceder-se à base de dados para validar permissões dos utilizadores. A base de dados contém os dados dos utilizadores do sistema em estudo.

(32)

2.1.2 Solu¸c˜ao da Kimaldi

Um dos problemas associados aos cacifos eletrónicos já desenvolvidos é o seu custo as-sociado. A compra de um equipamento novo para substituir os cacifos tradicionais que as escolas, ou outras institui¸cões, têm (normalmente com um orif´ıcio em que é poss´ıvel colocar um cadeado ao gosto do utilizador ou com a fechadura, previamente instalada, para uma chave única) torna-se um investimento bastante avultado. A Kimaldi solucionou, em parte, este problema. Desenvolveu um sistema de fechaduras eletrónicas, com a aparência da figura 2.2, que se instalam na estrutura de qualquer armário de cacifos. Assim, a estrutura antiga existente pode ser aproveitada e cria-se, a partir de um sistema antigo, um mais robusto e tecnológico [2].

Para além desta solu¸cão, a Kimaldi também integra sistemas completos de controlo de acessos com estrutura f´ısica própria, dependendo da preferência do cliente.

Figura 2.2: Fechadura desenvolvida pela Kimaldi. (Fonte: Brochura do produto d´ıspon´ıvel no site da empresa [3]).

O sistema desenvolvido pela Kimaldi é constitu´ıdo pelos seguintes módulos: fechaduras, controlador das fechaduras, terminal de gestão (para permitir a intera¸cão com o utilizador) e o PC central (Servidor). O sistema que é implementado pela Kimaldi traz os seguintes componentes: KAP (controlador sem fios de até 50 fechaduras), as fechaduras, um dispositivo de alimenta¸cão de emergência e de “chave mestre”e o software desenvolvida [4].

A monitoriza¸cão do sistema é feita em tempo real em rela¸cão ao estado das baterias das fechaduras, à ocupa¸cão dos cacifos, ao alarme e ao histórico de uso. As fechaduras foram projetadas para terem um consumo energético baixo. É poss´ıvel utilizar-se uma interface

(33)

que comunica com o sensor de cada porta. Esta solu¸c˜ao da Kimaldi foi projetada para ser instalada em diversos ambientes: metro, supermercado, escolas.

Quanto à caracteriza¸cão técnica do sistema, sabe-se que é constitu´ıdo por uma rede de fechaduras sem fios controlada pelo KAP. A comunica¸cão entre elas é feita à frequência de 2.4GHz e é utilizado o protocolo IEEE 802.15.4. Todas as fechaduras são alimentadas com 6V (4 pilhas AA de 1.5V), que estão previstas não inviabilizar o funcionamento do sistema durante um ano e meio (prevendo que existem 10 intera¸cões por dia com a fechadura). É importante mencionar que esta fechadura tem um botão que permite “acordar” o cacifo aquando de uma utiliza¸cão, rentabilizando, assim, a bateria. Já o KAP é alimentado com um transformador a 5V DC. O reconhecimento do utilizador é feito no Terminal de Gestão que suporta diversas possibilidades de identifica¸cão. A comunica¸cão entre o servidor, o terminal de gestão e o KAP é feita via TCP/IP (Transmission Control Protocol/Internet Protocol). Depois de ser identificado o utilizador, no terminal de gestão, o servidor cede, ou não, a permissão de utiliza¸cão. É atribu´ıdo um cacifo pelo display do terminal. O utilizador deve pressionar o botão do respetivo cacifo, para o acordar, e esse abre. Depois de colocar os seus pertences no interior fecha-o e, este, deverá trancar-se automaticamente. Para recolher os seus pertences, o utilizador identifica-se no terminal de gestão que apresenta o número do cacifo que utilizou e dá ordem de abertura do mesmo. Quando o utilizador pressiona o botão da sua fechadura a mesma abre-se novamente [3].

2.1.3 Smartalock

Smartalock foi desenvolvido na Nova Zelândia. Trata-se de um conjunto de cacifos eletrónicos com toda a estrutura desenvolvida pela empresa. Não existe significativa in-forma¸cão técnica dispon´ıvel mas, ainda assim, destacam-se algumas singularidades pertinentes para este estudo.

O sistema visa resolver problemas de utiliza¸cão dinâmica de cacifos em várias situa¸cões. Tal como os outros exemplos apresentados, poderá ser utilizado em ambientes empresariais, ginásios ou estabelecimentos de ensino em geral.

O sistema de autentica¸cão deste equipamento é o que mais o diferencia. Para além de permitir a autentica¸cão dos utilizadores por cartão (facilidade demonstrada no site em integrar diferentes leitores no sistema, dependendo da tecnologia escolhida), foi desenvolvida uma aplica¸cão móvel, compat´ıvel com Android e iOS, que comunica com os cacifos utilizando BLE. Assim, caso os utilizadores não pretendam usar o display central para dar entrada ou

(34)

sa´ıda de utiliza¸cão, poderão utilizar esta aplica¸cão. No caso de os utilizadores não possu´ırem smartphone e terem perdido o cartão de identifica¸cão, poderão sempre recorrer ao display central para se autenticar via PIN. A aplica¸cão desenvolvida também permite que se partilhem cacifos entre vários utilizadores, que se abram ou fechem todos os cacifos a uma determinada hora (por exemplo para serem limpos), que se aceda ao histórico de utiliza¸cões. Os cacifos alimentam-se diretamente à rede elétrica com um transformador [5].

Dos pormenores técnicos divulgados sabe-se que os cacifos incluem uma porta USB por cada compartimento para que os utilizadores possam rentabilizar o tempo de utiliza¸cão do sistema com o carregamento dos seus equipamentos eletrónicos. Também se sabe que estes cacifos incluem um sistema de alarme. A placa que controla os cacifos por completo comunica e alimenta cada fechadura com cabos Cat5E. A placa inclui um ecrã touchscreen que permite autenticar os utilizadores por PIN, um leitor de cartões (13.56 MHz e 125 kHz), tem a possibilidade de se conectar a uma rede Wi-Fi para poder ter um administrador a controlar os cacifos remotamente ou pode ligar-se por Ethernet (porta LAN integrada no sistema) e, ainda pode utilizar BLE quando utilizadores fazem uso da aplica¸cão móvel.

Quanto à aplica¸cão desenvolvida: abre o cacifo correspondente ao utilizador ao clicar ou ao abanar o telemóvel, é utilizado o GPS do telemóvel para se rel rar o utilizador que tem os seus pertences lá guardados, para se aceder à hora e ser relembrado via SMS ou email e para procurar o cacifo mais próximo. Também é poss´ıvel gerir a partilha do cacifo com outro utilizador e ter acesso ao histórico de utiliza¸cões [6].

2.1.4 Solu¸c˜ao da Salto - XS4 Locker lock

O sistema XS4 Locker lock foi desenvolvido pela empresa Salto, especializada em eletrónica de controlo de acessos. Trata-se de um equipamento sem fios de fechaduras, ligadas em rede, que podem ser aplicadas em qualquer tipo de portas. Para além de se poder utilizar para controlar acessos a cacifos ditos convencionais, também poderá utilizar-se para restringir o acesso a certos materiais tais como medicamentos, equipamentos eletrónicos, pe¸cas de museu, documentos confidenciais, dependendo do ambiente/espa¸co em questão [7].

Estas fechaduras surgem no portefólio de produtos da empresa de forma óbvia. O servi¸co principal que a empresa oferece é a implementa¸cão de sistemas de controlo de acessos para edif´ıcios como empresas e hospitais. Os utilizadores para entrarem em qualquer porta do edif´ıcio têm de passar o seu cartão nos leitores integrados na fechadura de cada porta. Deste modo, o administrador tem controlo total sobre a institui¸cão: dar permissão de acesso ou

(35)

negá-la a qualquer utilizador, analisar onde cada utilizador deu entrada, ver o estado de bateria de cada fechadura quando é assinalada uma entrada, entre outras situa¸cões. Deste modo, o controlo de acesso a cacifos ou outros armários poderá ser simplesmente adicionado a este projeto. E de salientar que todo o software necess´´ ario para que este sistema seja funcional é também desenvolvido nesta empresa. Na página da Salto relativa a este produto [8], é apresentada uma nova funcionalidade do sistema: a existência de uma aplica¸cão móvel. Desta, sabe-se que tanto utiliza BLE como Near Field Communication (NFC). A primeira tecnologia utiliza-se para comunicar com as fechaduras, em vez de se fazer a autentica¸cão com cartão, deixando este de ser imprescind´ıvel para poder interagir com o sistema. A segunda permite que as fechaduras que não estejam online, ou seja, não havendo possibilidade de o administrador ter acesso a elas a partir do software de gestão criado, possam, igualmente, ser acedidas por utilizadores espec´ıficos. Neste caso, é a partir do NFC dos smartphones compat´ıveis que a fechadura abrirá ou não. O administrador tem, portanto, poder para transferir uma “credencial”a qualquer utilizador via aplica¸cão móvel que poderá ser utilizada para abrir fechaduras offline, via NFC.

Figura 2.3: Fechadura desenvolvida pela Salto. (Fonte:

https://www.saltosystems.com/en/product-range/productitem/xs4-locker-lock)

As fechaduras, apresentadas na figura 2.3, são alimentadas por 3 pilhas AAA de 1.5V. Estas alimentam a fechadura por aproximadamente 30000 utiliza¸cões. Cada fechadura tem uma memória não volátil. O leitor integrado na fechadura é um leitor de RFID 13.56MHz. A rede criada entre as fechaduras segue um protocolo desenvolvido pela empresa (SVN - SALTO

(36)

Virtual Network). Outra particularidade destas fechaduras ´e terem a possibilidade de emitir sinais sonoros e visuais (LEDs integrados na fechadura), para que idosos, crian¸cas e pessoas invisuais ou surdas as consigam usar com maior facilidade.

2.1.5 Aussie Lockers

Os cacifos “Aussie Lockers”, desenvolvidos em Sydney, Austrália, não exibem particula-ridades relevantes relativamente aos analisados anteriormente. No entanto, uma vez que são os únicos que disponibilizam pre¸cos no seu site, é importante fazer-lhes referência.

O sistema é composto pela estrutura t´ıpica de cacifos eletrónicos com uma torre central (AP - Access Point - que tem a capacidade de comunicar com até 64 cacifos) em que se pode autenticar os utilizadores e fazer o pagamento (se for necessário). A autentica¸cão é feita com um PIN de 6 algarismos (formato data de nascimento) mais uma cor, no ecrã touchscreen. Esta também poderá ser feita com cartão RFID, se o local onde se for instalar o equipamento já tiver um sistema de cartões em utiliza¸cão. A alimenta¸cão deste equipamento faz-se com um transformador de 12V DC. O sistema de pagamento aceita moedas, notas e cartões de sócio ou membro do local em que é instalado. O pre¸co de utiliza¸cão é definido consoante o que o administrador pretende. O histórico de utiliza¸cões e relatórios gerados podem ser consultados remotamente ou enviados automaticamente para membros da administra¸cão por email [9].

Os pre¸cos do equipamento desenvolvido por esta empresa est˜ao indicados abaixo na figura 2.4, retirada do site da empresa.

(37)

Figura 2.4: Pre¸cos Aussie Lockers (Fonte: http://www.aussielockers.com.au/pricing.html, a 22-08-2017

2.1.6 VLocker

VLocker é um sistema de cacifos eletrónicos, desenvolvido também na Austrália, vendido para qualquer parte do mundo. Caracteriza-se por ser completamente adaptável ao local de instala¸cão: é poss´ıvel definir-se o idioma do sistema, o per´ıodo em que se disponibiliza o servi¸co, emails de alerta, histórico, entre outros.

O sistema VLocker, tal como outros anteriormente referidos, é constitu´ıdo por uma estru-tura de armários, e um terminal central para intera¸cão com o utilizador. Este equipamento torna-se peculiar, pois caso exista mais do que um terminal de acesso (caso em que o admi-nistrador necessita de uma grande quantia de cacifos), o utilizador poderá ser autenticado e dar ordem de abertura da sua porta em qualquer um dos terminais existentes, o que pos-sibilitará a redu¸cão do tempo de espera e causará menos filas. Os terminais de acesso do Vlocker utilizam Microsoft SQL Server Express como sistema de gestão de base de dados. Também existe a possibilidade de se reservarem cacifos de utiliza¸cão restrita (por exemplo para membros do staff ou clientes com mais regalias). O administrador dos cacifos terá à sua

(38)

disposi¸cão fun¸cões como libertar certos cacifos para serem limpos, em caso de terem excedido o tempo de utiliza¸cão, poder aceder aos cacifos exclusivamente por leitura do cartão para que não haja possibilidade de ver o seu PIN a ser inserido no ecrã. O método de pagamento é flex´ıvel dependo do ambiente em que o sistema é integrado. Também existe possibilidade de fazer uma análise remota das condi¸cões dos cacifos. Se alguma anomalia for detetada, os administradores são notificados com detalhe para que a mesma possa ser resolvida fácil e rapidamente. O sistema de gera¸cão de relatórios pode incluir informa¸cões como: gráficos que mostram o número de cacifos que foram utilizados por hora num dia em qualquer data pretendida, os cacifos utilizados, o tempo de utiliza¸cão, média de horas de utiliza¸cão, o ex-trato monetário (tipo de pagamento, quantidade), lucro por hora/dia/mês. Os métodos de autentica¸cão dispon´ıveis são bastante variados: PIN (formato data de nascimento) mais a sele¸cão de uma cor, papel com código de barras, qualquer formato de token RFID (como cartão, pulseira ou porta chaves), cartão com banda magnética e biometria.

A equipa que desenvolve este sistema frisa a possibilidade de desenvolver a interface para utiliza¸cão de cartão de crédito para todos os pa´ıses do mundo. Existe a possibilidade de integrar portas USB alimentadas no interior dos cacifos, orif´ıcios de ventila¸cão e ilumina¸cão, caso o cliente revele interesse por estas funcionalidades extra.

2.1.7 Sistema de Cacifos Multifuncional

De um ponto de vista mais académico, também surgem algumas solu¸cões neste âmbito. Este caso espec´ıfico da Universidade de Xi’an, na China, trata de uma solu¸cão multifuncional para resolver problemas de entregas de pertences ou encomendas, argumentando que atual-mente, os sistemas de distribui¸cão de produtos ao domic´ılio come¸ca a tornar-se dif´ıcil dado o número crescente de pessoas que faz a maior parte das suas compras online.

O sistema foi concebido de forma a que o distribuidor dos produtos possa facilmente identificar um cacifo dispon´ıvel. Ao aproximar-se dos cacifos o distribuidor introduz o número de telemóvel do cliente e se for válido é-lhe atribu´ıdo um cacifo livre. O distribuidor coloca os produtos que pretende entregar ao cliente nesse compartimento, e no monitor central faz “Save”. O cacifo fecha-se e é enviada uma mensagem para o telemóvel do cliente com o número do cacifo em que os seus produtos se encontram armazenados e com um código de autentica¸cão para fazer o levantamento dos mesmos [10].

Quanto `as tecnologias utilizadas para concretizar este projeto optou-se por um microcon-trolador ARM C51 e um m´odulo GSM da Siemens, o TC35i, que se encarrega do envio das

(39)

mensagens para os n´umeros de telem´ovel dos clientes [10].

2.2 Comuni¸

c˜

oes sem fios para interface

Sendo o principal objetivo da presente disserta¸cão possibilitar uma comunica¸cão sem fios entre os utilizadores do sistema e os cacifos, fez-se um estudo das tecnologias dispon´ıveis no mercado que poderão ser implementadas para este fim. O objetivo, ao utilizar uma destas tecnologias, é permitir que o utilizador se liberte da tag RFID e não necessite de interagir com o sistema a partir do display. Neste sentido chegou-se a uma conclusão: a solu¸cão implementada deverá permitir que o utilizador seja autenticado via aplica¸cão móvel uma vez que atualmente grande parte da popula¸cão já possui um dispositivo deste cariz e a sua utiliza¸cão em qualquer situa¸cão do dia a dia é praticamente certa e com sucesso garantido. Assim, as tecnologias escolhidas para análise foram o BLE, o Wi-Fi e o NFC, uma vez que todas podem ser utilizadas com recurso a um smartphone.

2.2.1 BLE - Bluetooth Low Energy

O Bluetooth é uma tecnologia/protocolo de comunica¸cão sem fios criado em 1998 por um conjunto de 5 empresas com uma importante presen¸ca no mercado, dando-se assim origem ao Bluetooth SIG (Special Interest Group). Este tinha o objetivo de unificar as comunica¸cões sem fios entre dispositivos de fabricantes diferentes, isto é, criar-se um protocolo de comunica¸cão sem fios “universal”[11]. O Bluetooth, também conhecido pelo standard IEEE 802.15.1, faz parte da topologia de rede Wireless Personal Area Network (WPAN) [12].

Ao grupo inicial de empresas do Bluetooth SIG foram-se juntando muitas mais. A tecno-logia foi ganhando importância no mercado e na comunidade cient´ıfica e académica, contando atualmente com 30 000 empresas. Aliado a este crescimento, ao longo dos anos foram lan¸cadas novas versões desta tecnologia. A mais recente versão anunciada em 2016, Bluetooth 5.0, terá um alcance quatro vezes superior e uma velocidade de transmissão de dados duplicada em rela¸cão à versão 4.2 e mantendo os n´ıveis de consumo energético [13].

O BLE surge em 2010 com o lan¸camento da versão Bluetooth 4.0. Este torna-se par-ticularmente apelativo pelos baixos consumos energéticos. É, atualmente, uma das op¸cões tecnológicas mais utilizadas em projetos de Internet of Things (IoT). O crescimento desta tecnologia tomou propor¸cões enormes: está presente numa panóplia de dispostivos como cha-ves, auriculares, ratos, teclados, todo o tipo de gadgets, sendo que a presen¸ca desta nos

(40)

smartphones foi a mais potencializadora. Atualmente é compat´ıvel com dispositivos Android a partir da versão 4.3 e com todos os dispositivos Apple lan¸cados posteriormente ao iPhone 4S, inclusivé [14].

Como é dito por Joseph DeCuir em “Introducing Bluetooth Smart: Part 1: A look at both classic and new technologies.”[15], com o lan¸camento do BLE previa-se que este se tornasse para o mundo dos smartphones no papel que o Universal Serial Bus (USB) toma para o mundo dos computadores, isto é, ser uma interface para periféricos de conectividade universal. De facto, cada vez mais se vive num mundo em que tudo está conectado e uma das tecnologias que o possibilita é o Bluetooth.

Na perspetiva do consumidor existem dois tipos de dispositivos Bluetooth Low Energy: dispositivos Bluetooth Smart e Bluetooth Smart Ready. Estas denomina¸cões tornam-se es-senciais uma vez que, por defini¸cão, um dispositivo Bluetooth Smart não se consegue conectar a um dispositivo Bluetooth Classic. Um dispositivo Bluetooth Classic apenas se conecta a dispositivos Bluetooth Smart Ready e estes, por sua vez, a dispositivos Bluetooth Smart. É poss´ıvel identificarem-se alguns exemplos dos diferentes tipos de dispositivos Bluetooth na figura 2.5. [16].

Figura 2.5: Rela¸c˜ao entre os trˆes tipos de Bluetooth (Fonte: Bluetooth SIG)

Do ponto de vista técnico, os últimos três termos apresentados, adquirem, respetivamente, os seguintes: Bluetooth Classic, Bluetooth dual-mode (suporta Bluetooth Classic e BLE) e Bluetooth single-mode (compat´ıvel apenas com comunica¸cões BLE). Os dispositivos dual-mode, apesar de serem os que conseguem conectar-se a uma maior gama de dispositivos, acabam por não tirar partido da melhor vantagem que o BLE trouxe: o reduzido consumo energético. Os dispositivos single-mode são, por norma, dispositivos alimentados a pilhas ou baterias [16].

(41)

2.2.1.1 Pilha protocolar do BLE

Em rela¸cão à pilha procolar do BLE, e em semelhan¸ca ao Bluetooth Classic, esta é dividida em duas principais partes: a primeira referente ao Host e a segunda referente ao Controller. A rela¸cão entre as duas é definida no Host Controller Interface (HCI). O Host e o Controller são divididos por diversas camadas que estão representadas na figura 2.6 e serão explicadas seguidamente.

Figura 2.6: Pilha Protocolar do BLE (Fonte: “Introducing Bluetooth Smart, Part 1: A look at both classic and new technologies.”[17] )

Come¸cando pela camada f´ısica, muitas vezes referida nos artigos técnicos/cient´ıficos como PHY, proveniente do inglês “Physical Layer”, trata-se da camada mais inferior da pilha protocolar do BLE. Esta controla a rece¸cão e a transmissão de dados a partir dos canais de comunica¸cão na banda de frequência não licenciada Industrial, Scientific and Medical (ISM), a 2.4GHz. A modula¸cão utilizada para transmissão do sinal é Gaussian Frequency-Shift Keying (GFSK) e a velocidade máxima de transmissão é de 1 Mbps. A potência do sinal transmitido pode variar entre 0.01mW (-20 dBm) e 10 mW (+10 dBm). Em compara¸cão com o Bluetooth Classic, o BLE utiliza um número de canais de comunica¸cão mais reduzido (quarenta) mas com maior largura de banda entre os mesmos (2MHz). Dos quarenta canais, 3 são dedicados ao advertising (utilizados na descoberta de dispositivos, estabelecimento de

(42)

conexões e transmissão de dados em modo broadcaster, explicado posteriormente) e os outros 37 são canais de dados comuns utilizados para troca de dados bidirecional entre dispositivos conectados [18] [19].

A camada de liga¸cão define a camada f´ısica, ou seja cria uma liga¸cão para as propriedades f´ısicas definidas na camada descrita anteriormente. Define a estrutura dos pacotes a serem enviados e os seus canais de comunica¸cão, o processo de descoberta e conexão a novos dispo-sitivos e envio/rece¸cão de informa¸cão. Nestas etapas também está compreendida a defini¸cão das fun¸cões de cada um dos dispositivos presentes na liga¸cão BLE quanto à posi¸cão de master e slave [15] [20].

Logical Link Control and Adaptation Protocol (L2CAP) é a camada de abstra¸cão das camadas anteriores, baseada nos canais de transmissão especificamente tratados nessas, uti-lizada por aplica¸cões e servi¸cos. Esta consiste num protocolo que permite a fragmenta¸cão e desfragmenta¸cão dos dados recebidos das camadas superiores e a multiplexagem ou desmulti-plexagem dos múltiplos canais a serem utilizados e que são definidos nas camadas inferiores. A abstra¸cão criada traz simplicidade à intera¸cão das camadas superiores com os canais f´ısicos [21].

Acima da L2CAP encontram-se mais duas camadas: a Attribute Protocol (ATT) e a camada de gest˜ao de seguran¸ca (em inglˆes, Security Manager).

´

E na ATT que os atributos, blocos que contêm dados, são definidos, guardados e pos-teriormente tratados na camada superior Generic Attribute Profile (GATT). Esta camada organiza toda a informa¸cão em blocos com a mesma estrutura, os atributos, facilitando as fun¸cões desempenhadas pelas camadas superiores. É importante reter que cada atributo é constitu´ıdo por três partes: o handle, o Universally Unique Identifier (UUID) e um valor propriamente dito. O handle poderá ser visto como uma identifica¸cão única de um certo atributo, como um ID, já o UUID é um valor que define o tipo de atributo que se está a usar e o valor guardado diz respeito à informa¸cão que se pretende guardar no respetivo atributo tendo em conta o tipo do mesmo. Nenhum destes valores é interpretado nesta camada, isto é, poder-se-ia guardar um valor que não correspondesse ao tipo de atributo em questão nesta camada sem ocorrer nenhum problema. Esta interpreta¸cão é feita na camada superior: a GATT [22] [21].

A GATT é a camada que dá sentido à ATT. É na GATT que os atributos são categori-zados segundo o seu UUID. Estes podem pertencer a uma das seguintes categorias: servi¸co, caracter´ıstica ou descritor. Um servi¸co é constitu´ıdo por uma ou várias caracter´ısticas e

(43)

es-tas, por sua vez, podem ter um ou mais descritores. O Bluetooth SIG convencionou que o UUID de um servi¸co é 0x2800. Assim, quando um dispositivo está a descobrir os servi¸cos de que o outro dispõe, não necessita de procurar um servi¸co espec´ıfico, pois consegue ter acesso a todos, uma vez que todos são identificados pelo mesmo UUID. O dispositivo que lê os atributos dispon´ıveis, a partir dos valores correspondentes, consegue delimitar os atributos pertencentes a cada um dos servi¸cos. A partir da identifica¸cão dos UUID correspondentes a servi¸cos, e dos respetivos valores de handle, é poss´ıvel demarcar-se os atributos em grupos. Todos os atributos que tiverem valores de handle correspondentes entre o intervalo de valores de handle do primeiro e segundo servi¸cos encontrados, pertencerão ao primeiro servi¸co. No intervalo de valores de handle mencionado anteriormente aparecem as caracter´ısticas princi-pais com o UUID fixo de 0x2803. Este UUID fixo representativo de caracter´ısticas também facilita a procura das mesmas por parte do dispositivo cliente. Os atributos pertencentes a uma certa caracter´ıstica estão compreendidos entre o handle dessa mesma caracter´ıstica e da próxima a ser encontrada. Os descritores, compreendidos entre caracter´ısticas, não têm um UUID único que os identifique. Existem vários definidos. São identificados pelo handle. Caso este valor esteja compreendido no intervalo de handles entre servi¸cos, por exemplo entre o primeiro e o segundo servi¸cos encontrados, então este descritor pertence ao primeiro servi¸co e à caracter´ıstica com o handle mais próximo e anterior ao deste [23] [24].

Dentro dos vários descritores definidos, referidos anteriormente, existe um com particular importância denominado de Client Characteristic Configuration (CCC). Este decritor com UUID de 0x2902, também é definido no lado do servidor mas pode ser alterado pelo cliente. Serve para habilitar uma certa caracter´ıstica de indicar ou notificar o cliente quando o seu valor sofrer altera¸cões. Entende-se por notifica¸cão a capacidade de o servidor informar o cliente que o valor da caracter´ıstica correspondente foi alterado e não esperar confirma¸cão de rece¸cão dos dados por parte do cliente. Já por indica¸cão, entende-se que o servidor informa o cliente quando ocorre essa altera¸cão e espera uma confirma¸cão da rece¸cão da mesma por parte dele. Quando este descritor apresenta o valor de 1 significa que o cliente será notificado quando a caracter´ıstica alterar o seu valor. Se estiver a 0, o cliente será indicado que a caracter´ıstica sofreu altera¸cões [24].

´

E também na GATT que são definidos os papéis de cliente e servidor numa liga¸cão BLE. O servidor guarda a informa¸cão passada pela ATT e aceita pedidos, comandos e confirma¸cões de recebimento de respostas por parte do cliente. Em suma, é no servidor que os atributos e correspondentes valores estão guardados. O cliente apenas tem permissão para ler esses

(44)

valores ou escrever quando solicitado e concedida autoriza¸cão para tal. O servidor envia respostas aos pedidos do cliente, notifica¸cões ou indica¸cões quando algum evento espec´ıfico ocorre na GATT do servidor, de forma ass´ıncrona [24].

A camada mais superior da pilha protocolar é a Generic Access Profile (GAP). Esta, tem como principal fun¸cão gerir os papéis desempenhados por cada dispositivo numa liga¸cão BLE. Estes papéis poderão ser de: broadcaster, observador, periférico e central. Um dispositivo que densempenhe a fun¸cão de broadcaster apenas difunde dados pelos canais de advertising e não suporta conexões com outros dispositivos. Por outro lado, um observador apenas consegue receber as informa¸cões transmitidas por um broadcaster via advertising, também não conseguindo assim conectar-se a outros dispositivos. Um dispositivo com fun¸cão de central inicia e gera múltiplas conexões (exercendo, consequentemente, o papel de master) enquanto que um dispositivo periférico apenas suporta a conexão com um único dispositivo central (e, por sua vez, é sempre um slave). É importante ter em aten¸cão que um dispositivo pode desempenhar várias destas quatro fun¸cões, no entanto só poderá exercer uma de cada vez [22].

Acima da GAP são definidos perfis de aplica¸cão adicionais, caso sejam proveitosos para o sistema a desenvolver. Um novo perfil pode ser inclu´ıdo nesta camada desde que cumpra todos os requisitos necessários. Existem perfis de n´ıvel superior que especificam como os aplicativos podem interoperar. Estes, que também são definidos na norma Bluetooth SIG, poderão favorecer a interoperabilidade entre dispositivos de diferentes fabricantes [25].

2.2.2 Wi-Fi

A norma IEEE 802.11, comercialmente conhecida por Wi-Fi, trata de uma tecnologia amplamente utilizada para comunica¸cões à distância sem fios e é considerada uma rede de categoria Wireless Local Area Networks (WLAN). Esta pode ser caracterizada por ter uma largura de banda grande (22MHz) que permite taxas de transmissão de dados muito superio-res às outras tecnologias apresentadas (de 72.2 Mbps). No entanto, estes valores provocam consumos energéticos também muito superiores, na ordem dos 100mW (dez vezes mais do que os valores estimados para o BLE) [12] [26].

O Wi-Fi está atualmente implementado em todos os smartphones, mesmo os mais antigos e é maioritariamente utilizado com o intuito de aceder à Internet por parte dos utilizadores. Esta dissemina¸cão nos smartphones justifica-se pelo facto de atualmente, quase todos os locais, seja habita¸cões ou locais públicos, possu´ırem acesso a uma rede Wi-Fi, permitindo

(45)

assim ter acesso `a Internet globalmente.

O Wi-Fi pode operar em gamas de frequência diferentes e, por isso, existem várias ex-tensões da norma IEEE 802.11: IEEE 802.11 b/g/n/ac. O Wi-Fi tem duas principais cama-das: a camada f´ısica e a camada Media Access Control (MAC).

A estrutura mais básica, mas essencial, deste protocolo é o Basic Service Set (BSS) cons-titu´ıda por uma Wireless Station (STA) e um Access Point (AP). Deste conjunto, a STA consegue conectar-se a uma rede externa, Internet, a partir do AP associado à mesma. Este conjunto é identificado pelo ID do BSS: o BSSID. Para se associar uma STA a um AP existem três principais fases: scan, autentica¸cão e as fases de associa¸cão. Vários APs podem estar conectados entre si por um Distribution System (DS). Neste caso, este conjunto de BSSs é denominado de Extended Service Set (ESS) [26].

Do ponto de vista comercial existem algumas solu¸cões de módulos Wi-Fi que se podem integrar em projetos tecnológicos [27]. Também existem solu¸cões para transformar objetos não conectáveis no âmbito da IoT, como é o caso apresentado em “Smart Home Implementation Based on Internet and WiFi Technology”, em que se utilizam módulos que convertem uma comunica¸cão série RS232 para Wi-Fi [28].

Ainda no âmbito da IoT, surge uma versão nova do Wi-Fi: o Wi-Fi direct. Este permite que dois dispositivos se conectem diretamente, aliando simplicidade a trocas de dados entre dispositivos. Nas outras versões de Wi-Fi é sempre necessário aceder-se a um AP primeiro, não há conexões diretas entre dispositivos [29].

2.2.3 NFC - Near Field Communication

O protocolo de comunica¸cão NFC foi criado no final do século XX para resolver problemas de bilhética em transportes públicos [26].

Proveniente do RFID, o NFC tem a particularidade de ter sido desenvolvido para co-munica¸cões de ainda mais curta distância (por volta de 10 cm), por razões de seguran¸ca. Em 2004, a Nokia, a Sony e a Philips juntaram-se para criar o Fórum NFC que promovia a seguran¸ca, a facilidade de implementa¸cão e a popularidade do NFC. No entanto, foi só em 2006 que as primeiras especifica¸cões do NFC foram lan¸cadas. O fórum assegura que se num projeto as especifica¸cões de implementa¸cão forem cumpridas qualquer utilizador com qualquer dispositivo/tag NFC poderá interagir corretamente com ele [30].

Com o passar dos anos mais especifica¸cões foram lan¸cadas e a tecnologia tornou-se mais importante. O surgimento do NFC como método de pagamento, sob a forma de cartão

(46)

“contactless”, foi um marco importante na hist´oria desta tecnologia [30] .

Em 2010, esperava-se que todos os smartphones viessem a ter NFC. Apesar de se tratar de uma tecnologia com potencial, a baixa taxa de integra¸cão de NFC nos telemóveis resultou numa diminui¸cão de relevância no mercado [31].

Da perspetiva de engenharia, um sistema NFC é alimentado por acoplamento indutivo. A antena do leitor gera um campo eletromagnético que excita a zona da bobina da tag quando esta está no alcance desse mesmo campo. Como as frequências utilizadas são muito superiores `

as distâncias entre o leitor e a tag, o campo pode ser tratado como um simples campo magnético alternado. Um condutor exposto a um campo magnético alternado sofre uma diferen¸ca de potencial e, consequentemente, gera-se de uma corrente. Desta forma a bobina presente na tag encontra-se em condi¸cões de gerar o seu próprio campo eletromagnético que lhe permite comunicar com o leitor [32].

Existem três modos de opera¸cão NFC: leitura e escrita, permitindo-se a leitura ou al-tera¸cão de dados existentes num dipositivo NFC, emula¸cão de cartões, em que os dispositivos NFC comportam-se como SmartCards e Peer-to-Peer (P2P) , modo de troca bidirecional de dados entre os dois dispositivos (por exemplo para troca de ficheiros entre dois telemóveis) [33].

Em 2010, esperava-se que todos os smartphones tivessem NFC integrado. Apesar das promissoras funcionalidades aliadas a esta tecnologia, a sua baixa taxa de integra¸cão nos telemóveis acabou por desencadear uma diminui¸cão de interesse em projetos que a suportem [31].

2.3 Solu¸

c˜

oes de armazenamento de dados offline - Mem´

oria

n˜

ao vol´

atil

Com o objetivo de guardar localmente dados do sistema a desenvolver, foram estudadas as alternativas existentes para este fim. Procura-se uma solu¸cão offline que permita que em situa¸cões extremas, como falta de liga¸cão à Internet ou mesmo falha de eletricidade, os utilizadores assegurem que poderão reaver os seus pertences.

Tendo em conta que a placa principal do projeto SmartLocker, caracterizada posterior-mente no cap´ıtulo 3, continuará a ser utilizada no presente projeto e tem componentes de armazenamento de memória que poderão ser aproveitados para este fim, foi analisada a via-bilidade de utiliza¸cão de cada um desses. Nesta placa existem uma slot de leitura de cartões

(47)

de memória, portas USB dispon´ıveis às quais se poderão conectar uma unidade de armaze-namento USB e uma EEPROM.

Do contexto anteriormente descrito, conclui-se que o tipo de memória que se deverá utilizar no presente projeto é não volátil. Analisando a figura 2.7, pode-se concluir que tanto a memória flash, caso das unidades de armazenamento USB e os cartões de memória, como a EEPROM são memórias não voláteis provenientes das memórias Read-Only Me-mory (ROM) e da fam´ılia de memórias Metal–Oxide–Semiconductor (MOS), baseada na tecnlogia Complementary Metal–Oxide–Semiconductor (CMOS) [34] [35].

Figura 2.7: ´Arvore de mem´orias do tipo MOS (Fonte: “Introduction to Flash Memory”[34] )

2.3.1 EEPROM

A EEPROM, Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory, tal como o signifi-cado da sua sigla indica, apenas é apagada eletricamente. O facto de ser não volátil implica que os dados guardados na mesma não desaparecem a partir do momento em que a mesma deixa de ser alimentada. Os dados apenas desaparecem quando são deliberadamente altera-dos. Em compara¸cão com a memória flash, é uma solu¸cão mais antiga e dispendiosa. Há que salientar que, contrariamente ao que o nome indica, este tipo de memórias permite a¸cões como leitura, escrita e apagamento, sendo a escrita uma a¸cão mais lenta do que a leitura. O apagamento numa EEPROM é feito byte a byte. [36]. O processo de reescrita implica igual-mente o apagamento. De forma a acelerar este processo são gerados picos de tensão elevados

(48)

e consequentes campos elétricos. Este processo acaba por provocar o desgaste da memória pondo, assim, em causa a confiabilidade de funcionamento da mesma tratando-se, por isso, de uma desvantagem da EEPROM. Para se prolongar o tempo de vida útil de uma EEPROM foram-se adicionando alguns mecanismos que aumentaram a complexidade da mesma. Aliada a esta complexidade surge a limita¸cão da densidade da EEPROM e o aumento de custo por megabyte em rela¸cão aos outros tipos de memória [37].

A EEPROM que se tem à disposi¸cão neste projeto tem uma capacidade de armazena-mento de 64Kbit, suporta comunica¸cão por Serial Peripheral Interface (SPI) e é do fabricante Microchip com referência 25AA640AT-I/MS. Esta suporta um sinal de relógio máximo de 10MHz, utiliza tecnologia CMOS de baixa potência, as páginas da memória são de 32Bytes e resiste a 1 000 000 ciclos de escrita/apagamento [38].

2.3.2 Mem´oria Flash

Existem dois tipos de memória flash: a NAND e a NOR . A flash NAND é mais utilizada para armazenamento de dados em massa, como ficheiros, enquanto que a flash NOR é utilizada para armazenamento de código de programas ou sistemas operativos. [34].

Tanto as unidades de armazenamento USB como a maior parte dos cartões de memória fa-zem parte dos exemplos de dispositivos que utilizam memória do tipo NAND. Em compara¸cão com a EEPROM, este tipo de memória torna-se mais rápida uma vez que o apagamento é feito em blocos de bytes. No entanto, também a escrita é muito mais lenta do que a leitura da memória [36] [39].

No contexto do presente projeto, o facto de o apagamento ser feito em blocos pode não ser benéfico uma vez que vai ser necessário tratar-se dados da ordem do bit.

(49)

Cap´ıtulo 3

Requisitos e Arquitetura Inicial

3.1 Descri¸

c˜

ao do projeto na sua fase inicial

Quando o presente projeto foi iniciado, tal como já foi mencionado anteriormente, o sis-tema “Smart Locker”, desenvolvido pela Micro I/O, já era um produto bem consolidado. Seguidamente, será feita a descri¸cão do projeto na fase de inicia¸cão desta disserta¸cão para que o leitor fique completamente contextualizado.

Aparentemente, o produto aparece sob a forma de um armário metálico, já mencionado e apresentado na figura 2.1. Para interagir com o utilizador possui um ecrã tátil e um leitor de cartões RFID. A aplica¸cão de intera¸cão com o utilizador, apresentada no LCD dos cacifos, foi desenhada e desenvolvida pela Micro I/O. Descrevendo o processo de utiliza¸cão dos cacifos e fazendo referência a alguns layouts apresentados na aplica¸cão referida anteriormente: primeiramente o utilizador deve passar o seu cartão, ou outro token RFID, no leitor para que o sistema “acorde”e o ecrã deixe de apresentar a imagem de apresenta¸cão (Figura 3.1 (a)); caso o cartão seja reconhecido é pedido o PIN do utilizador (Figura 3.1 (b)); é poss´ıvel fazerem-se a¸cões como abrir um cacifo, aceder ao histórico de utiliza¸cão, mudar o PIN de autentica¸cão, aceder a um painel de defini¸cões ou terminar a sessão de utiliza¸cão (Figura 3.1 (c)); caso não exista nenhum cacifo associado ao utilizador, é poss´ıvel escolher-se o número do cacifo dispon´ıvel que se pretende utilizar (3.1 (d)); a porta abre após a sua sele¸cão (3.1 (e)); o utilizador coloca os seus pertences no cacifo e fecha-o; a porta bloqueia automaticamente. Caso não existam cacifos dispon´ıveis (Figura 3.1 (f)) a sessão é terminada automaticamente. O processo para recolher os bens guardados é igual ao descrito anteriormente.

´

E de salientar algumas funcionalidades dispon´ıveis no sistema “Smart Locker”: o mesmo cart˜ao apenas pode estar associado a um cacifo em cada utiliza¸c˜ao; existe uma base de dados

(50)

(a) Legenda1 (b) Legenda2

(c) Legenda3 (d) Legenda4

(e) Legenda5 (f) Legenda6

Figura 3.1: Layouts da aplica¸c˜ao que permite a intera¸c˜ao dos utilizadores com os cacifos na sua fase inicial, a partir do LCD touchscreen.

em que os IDs dos cartões de utilizador podem ser associados ao sistema; a estes poderá ser atribu´ıda um tipo de utiliza¸cão temporária (caso se trate de um utilizador esporádico e aquando da utiliza¸cão dos cacifos é-lhe atribu´ıdo um livre) ou permanente (caso haja utiliza-dores fixos a quem se justifique atribuir os cacifos previamente); cada cacifo tem um histórico de acessos; também existe um cartão administrador que permite abrir qualquer cacifo e fazer um diagnóstico ao sistema.

(51)

Quanto à eletrónica do projeto, o sistema pode ser representado pela figura 3.2, apresen-tada abaixo. A placa controladora de todo o sistema, denominada de HMI, está representada e identificada na pe¸ca maior da figura. Encontra-se ligada a várias placas auxiliares mais pequenas por um barramento I2C, também figurativamente representado. Cada cacifo tem um circuito, denominado de placa auxiliar, integrado no seu interior para possibilitar o con-trolo da sua fechadura e respetivo estado de utiliza¸cão. Deste modo possibilita-se o envio de comandos direcionados a um cacifo em particular.

Figura 3.2: Esquema representativo da parte eletrónica dos cacifos Smart Locker Para além de todo o processo de controlo dos cacifos que a HMI executa, também permite adaptar as capacidades computacionais de um Raspberry Pi a qualquer projeto. Marcada pelo seu cariz versátil, a HMI suporta um Raspberry Pi Compute Module e outros módulos e periféricos que são utilizados em vários projetos de acordo com as necessidades (PIC, Trans-ceiver, Buzzer, CAN, RS485, RS232, USB, Ethernet e outros).

Para o caso do projeto em questão, “Smart Locker”, são utilizados o PIC (microcontro-lador da Microchip), o circuito de alimenta¸cão de toda a placa, uma porta USB para ligar o

(52)

leitor RFID externo, os componentes que permitem a integra¸cão da Raspberry Pi neste cir-cuito (como o TFP401 da Texas Instruments que converte a aplica¸cão que corre na Raspberry Pi para ser transmitido no LCD e os sinais do ecrã tátil para a Raspberry Pi, um módulo que gere a intera¸cão entre o cartão de memória e a Raspberry Pi e outro com a mesma fun¸cão mas relativamente aos dispositivos USB), um conector de cabo I2C ligado ao PIC e um transformador de 12V DC para alimentar a placa.

As placas auxiliares, mencionadas anteriormente, que s˜ao ligadas `a HMI a partir do co-nector I2_{C, controlam o estado de cada cacifo e a abertura ou bloqueio da respetiva tranca.}

Estas placas, também representadas na figura 3.2 pelos pequenos circuitos com um cadeado figurativamente desenhado, têm dimensões reduzidas (aproximadamente 3 cm de lado) e da sua constitui¸cão fazem parte um PIC16, microcontrolador da Microchip, que interpreta os comandos recebidos por I2C, pinos conectores para se ligar e alimentar a tranca e o sensor de reed opcionalmente (que permite identificar se o cacifo está devidamente fechado). Nestas placas existe também um elemento fundamental que permite que cada uma se torne única. Existem nove espa¸cos para colocar resistências, que a partir da disposi¸cão que tomarem defi-nem um endere¸co (podendo existir espa¸cos livres ou com resistência), funcionando este como um identificador único da placa auxiliar. Colocando as resistências em posi¸cões diferentes, também o endere¸co adquirido pela placa o será, conseguindo-se assim distinguir a mesma perante outras semelhantes. A este grupo de resistências chama-se, então, resistências de endere¸camento.

De forma sucinta, a aplica¸cão com a qual o utilizador interage no LCD é executada na Raspberry Pi. Esta, por sua vez, para além de estar em permanente comunica¸cão com o LCD, também está em constante “escuta” de sinais vindos do leitor RFID (na altura de autentica¸cão do utilizador pelo seu token) e apta para comunicar com o PIC quando é necessário interagir com os cacifos, isto é, com as placas auxiliares. Por exemplo, caso o utilizador tenha permissão para utilizar o cacifo número 1 e solicite a sua abertura, a Raspberry Pi interpreta o pedido do utilizador, envia o comando para abrir o cacifo 1 ao PIC, e este, por sua vez, interpreta-o e manda executar a a¸cão a partir de outro comando via I2C. Este último comando de ordem de abertura da tranca do cacifo 1 é enviado para a placa auxiliar com o endere¸co correspondente ao cacifo 1.

(53)

3.2 Requisitos do Projeto

Depois de identificados os problemas que são necessários resolver neste projeto e do sistema na sua fase inicial, é necessário fazer-se o levantamento dos requisitos para que o projeto na sua fase final vá de encontro ao que se pretendia. Deste modo, foram definidos os seguintes requisitos:

• Permitir a comunica¸c˜ao sem fios com os cacifos, a partir de um smartphone;

• Integrar uma nova tecnologia no sistema que permita estabelecer uma comunica¸c˜ao sem fios com os cacifos;

• Conceber uma aplica¸cão Android que sirva de interface para utiliza¸cão dos cacifos; • Desenvolver uma solu¸cão de gestão de utiliza¸cão dos cacifos offline para que em qualquer

ambiente se possam recuperar informa¸c˜oes e utilizarem-se os cacifos com fiabilidade.

3.3 Arquitetura B´

asica do Novo Sistema

Na fase final do presente projeto, o sistema tem uma arquitetura e funcionamento distintos da inicial, já descrita na primeira seçcão deste cap´ıtulo. Perante esta modifica¸cão é poss´ıvel aplicarem-se os cacifos “Smart Locker”em contextos diferentes que não beneficiem do uso de tokens RFID.

As altera¸cões feitas estão representadas na figura 3.3. Nesta, é poss´ıvel identificar-se, primeiramente, o estabelecimento de comunica¸cão sem fios entre a HMI e o telemóvel. Nota-se também a introdu¸cão de um novo componente na placa HMI, que estabelece a liga¸cão sem fios com o telemóvel a partir da aplica¸cão Android desenvolvida. A parte da comunica¸cão com os cacifos, respetivas placas auxiliares e processos geridos pela Raspberry Pi não sofreram modifica¸cões.

(54)

Figura 3.3: Esquema da Arquitetura B´asica do presente projeto.

Na figura 3.4, está representada a primeira abordagem ao sistema desenvolvido da perspe-tiva do utilizador. Do lado direito da figura estão representados os cacifos. O armário exemplo tem quatro compartimentos sendo que o primeiro inclui a HMI, apresentada com uma cor mais desvanecida por trás do LCD, que apresenta a imagem representativa do sistema “Smart Locker”, e o leitor RFID de cor cinzenta, ao lado do LCD. As placas auxiliares, também já mencionadas, estão estrategicamente colocadas no interior de cada cacifo (compartimento do armário) para que se possa controlar diretamente a fechadura de cada um. Do lado esquerdo da figura está representada a aplica¸cão móvel desenvolvida e que cada utilizador deverá deter para que se possam efetuar procedimentos de autentica¸cão e atribui¸cão de cacifos através da comunica¸cão sem fios estabelecida entre o telemóvel e a eletrónica integrada nos cacifos.