Smart lighting: solução para controle de lâmpadas em smart homes

(1)

UNIVERSIDADE TECNOL ´

OGICA FEDERAL DO PARAN´

A

CURSO DE TECNOLOGIA EM SISTEMAS PARA INTERNET

Cˆ

AMPUS GUARAPUAVA

FELIPE KOSOUSKI

SMART LIGHTING: SOLU ¸

C˜

AO PARA CONTROLE DE

Lˆ

AMPADAS EM SMART HOMES

TRABALHO DE CONCLUS˜

AO DE CURSO

GUARAPUAVA

2018

(2)

FELIPE KOSOUSKI

SMART LIGHTING: SOLU ¸

C˜

AO PARA CONTROLE DE

Lˆ

AMPADAS EM SMART HOMES

Monografia de Trabalho de Conclusão de Curso de gradua¸cão, apresentado a disciplina de Trabalho de Conclusão de Curso 2 do Curso Superior de Tecnologia em Sistemas para Internet - TSI - da Universidade Federal Tecnológica do Paraná

-UTFPR - Câmpus Guarapuava, como requisito parcial para obten¸cão do t´ıtulo de Tecnólogo em Sistemas para a Internet Orientador: Prof. Me. Hermano Pereira

Universidade Tecnol´ogica Federal do Paran´a

GUARAPUAVA

2018

(3)

Ministério da Educação

Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Guarapuava

Curso Superior de Tecnologia em Sistemas para Internet

ATA DE DEFESA DE MONOGRAFIA DE TRABALHO DE CONCLUSÃO DE CURSO DO CURSO DE TECNOLOGOIA EM SISTEMAS PARA INTERNET

No dia 27 de novembro de 2018, às 13:30 horas, em sessão pública nas dependências da Universidade Tecnológica Federal do Paraná Câmpus Guarapuava, ocorreu a banca de defesa da de Trabalho de Conclusão de Curso intitulada:

“SMART LIGHTING: Solução de Lâmpadas para IOT” do acadêmico Felipe Kosouski sob orientação do professor Prof. Dr. Hermano Pereira do curso de Tecnologia em Sistemas para Internet.

Banca Avaliadora

Membro Nome

Orientador Prof. Dr. Hermano Pereira

Avaliador 1 Prof. Dr. William Alberto Cruz Castaneda

Avaliador 2 Prof. Dr. Luciano Ogiboski

Situação do Trabalho

Situação ( x ) Aprovado

( ) Aprovado com ressalvas ( ) Reprovado

( ) Não compareceu Encaminhamento do trabalho

para biblioteca ( x ) Autoriza o encaminhado para biblioteca( ) Manter sigilo para publicação ou geração de patente

Guarapuava, 27 de novembro de 2018.

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Dedico este trabalho a Deus, a minha fam´ılia e amigos, a minha namorada, ao meu orienta-dor e a todos que me ajudaram e incentivaram de alguma maneira durante o desenvolvimento deste trabalho.

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AGRADECIMENTOS

Primeiramente agrade¸co a Deus, que muitas vezes me deu conhecimento, me iluminou e me fez ter for¸cas durante não somente o desenvolvimento deste trabalho, mas também em toda minha vida acadêmica.

Agrade¸co a minha fam´ılia, que me incentivou, me amparou e me ensinou todos os valores que possuo hoje, e principalmente, me ensinou a nunca desistir quando encontramo-nos frente a frente a um problema.

Agrade¸co também a minha namorada Gabriella Carioca, que me acompanhou durante todo o desenvolvimento do trabalho e de boa parte da minha vida acadêmica. Que muitas vezes ouviu minhas reclama¸cões e ofereceu apoio emocional e que sempre me incentivou a dar o melhor de mim em tudo que fa¸co.

Devo um agradecimento especial ao meu orientador Hermano Pereira, por ter me ajudado desde o in´ıcio do trabalho, por sempre estar dispon´ıvel em momentos de dúvidas e incertezas, por me indicar os caminhos a serem seguidos e confiar no meu potencial e principalmente, não somente por ter se tornado meu professor orientador, mas também um grande amigo.

Por fim, agrade¸co a todos os professores que me passaram diversos conhecimentos que serviram como base para que este trabalho pudesse ter sido realizado. Aos amigos e colegas que me acompanharam e participaram de vários momentos de estudos e de descontra¸cão. E agrade¸co também a Universidade Tecnológica Federal do Paraná, por prover todos os recursos e ensinamentos necessários para o meu desenvolvimento pessoal e profissional.

(6)

O único caminho para desvendar os limites do poss´ıvel é aventurar-se além dele, através do imposs´ıvel. (CLARKE, C. ARTHUR).

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RESUMO

KOSOUSKI, Felipe. Smart Lighting: Solu¸cão para controle de lâmpadas em Smart Homes. 2018. 52 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Câmpus Guarapuava, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Guarapuava, 2018.

As pessoas vivem hoje uma época onde as conexões e a rede fazem cada vez mais parte do cotidiano a ponto de chegarem a estar a todo momento conectados com outras pessoas e dispositivos. O avan¸co da tecnologia tem se expandido para as mais diversas áreas, sendo uma delas, as casas inteligentes, parte de uma área maior ainda chamada Internet das Coisas. Com uma grande variedade de sensores e dispositivos conectados, um usuário ou até mesmo um sensor pode emitir um sinal para controlar diversas coisas. Uma das áreas de estudo que provém das casas inteligentes é a chamada Smart Lighting, ou seja, o controle de luzes e lâmpadas pela rede. Dentre os equipamentos hoje utilizados, a maioria possui um custo elevado devido a mão de obra necessária para instala¸cão e são inviáveis do ponto de vista f´ısico. Este trabalho apresenta uma solu¸cão para controle de lâmpadas via rede utilizando um microcontrolador Arduino como servidor e um Web Service responsável por trabalhar com os dados enviados e recebidos, sendo essencialmente, um sistema de fácil instala¸cão e configura¸cão. Palavras-chave: Microcontroladores. Internet sem fio. Arduino (Controlador programável). Protocolo de aplica¸cão sem fio (Protocolo de rede de computador). Automa¸cão residencial.

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ABSTRACT

KOSOUSKI, Felipe. Smart Lighting: Smart Home Lamp Control Solution. 2018. 52 f. Trabalho de Conclusão de Curso – Câmpus Guarapuava, Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Guarapuava, 2018.

The people live today in a time where network and connections has increasingly became part of their daily lives, so that they get to be connected all the time, both to other peo-ple and devices. The technology advances have expanded to the most diverse areas, such as smart houses, part of a even larger area called Internet of Things. With a wide variety of interconnected sensors and devices, a user, or even a sensor itself, can send a signal to control several ”things”. One of the study areas that comes from the intelligent house idea is called Smart Lighting, that is, the control of lights and lamps through the network. Among the equipment used nowadays, most of them have a high cost due to labor required for installation and are physically unviable. This work presents a solution to control lamps via network using an Arduino microcontroller as a server and a Web Service responsible for working with the sent and received data, being essentially a system of easy installation and configuration. As pessoas vivem hoje uma ´epoca onde as conex˜oes e a rede fazem cada vez mais parte do cotidiano a ponto de chegarem a estar a todo momento conectados com outras pessoas e dispositivos.

Keywords: Microcontrollers. Wireless Internet. Arduino (Programmable controller). Wireless Aplication Protocol (Computer network protocol). Home automation.

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LISTA DE FIGURAS

Figura 1 – Internet das coisas . . . 4

Figura 2 – Smart Home . . . 6

Figura 3 – Arduino MEGA 2560 . . . 9

Figura 4 – Shield Ethernet W5100 . . . 10

Figura 5 – M´odulo rel´e . . . 11

Figura 6 – Caracter´ısticas do protocolo CoAP . . . 12

Figura 7 – Exemplo de requisi¸c˜ao e resposta CoAP . . . 12

Figura 8 – Cen´ario integrando CoAP e HTTP . . . 13

Figura 9 – Web Server acendendo lˆampadas . . . 17

Figura 10 – Inserindo um dispositivo no Lelylan . . . 18

Figura 11 – Kit Smart Lighting Ikea . . . 19

Figura 12 – Circuito de componentes . . . 24

Figura 13 – Montagem do Shield no Arduino . . . 24

Figura 14 – Circuito f´ısico finalizado . . . 26

Figura 15 – Captura de tela da solu¸cão de Thomsen (2015) antes de acionar a lâmpada 26 Figura 16 – Captura de tela da solu¸cão de Thomsen (2015) após o acionamento da lâmpada . . . 27

Figura 17 – Foto do experimento após acender a lâmpada utilizando a solu¸cão de Thomsen (2015) . . . 27

Figura 18 – Fluxo de funcionamento . . . 29

Figura 19 – Estrutura da implementa¸c˜ao microcoap . . . 32

Figura 20 – Servidor alcan¸cado pelo comando ping. . . 33

Figura 21 – Comando para a execu¸c˜ao de uma requisi¸c˜ao GET para o servidor CoAP . 34 Figura 22 – Captura de mensagem GET CoAP pela ferramenta Wireshark . . . 34

Figura 23 – Comando para execu¸cão de uma requisi¸cão PUT com o valor 1 para o servidor 35 Figura 24 – Captura de mensagem PUT CoAP com o valor 1 pela ferramenta Wireshark 35 Figura 25 – Comando para execu¸cão de uma requisi¸cão PUT com o valor 0 para o servidor 35 Figura 26 – Captura de mensagem PUT CoAP com o valor 0 pela ferramenta Wireshark 36 Figura 27 – Inicializa¸cão do servidor da aplica¸cão . . . 37

Figura 28 – Request para endpoint GET solicitando todas as lˆampadas e resposta em formato JSON . . . 38

Figura 29 – Request para endpoint GET solicitando apenas a lˆampada com id 1 e resposta em formato JSON . . . 38

Figura 30 – Request PUT para endpoint /toggle alterando o status para true e resposta em formato JSON . . . 39

(10)

Figura 31 – Request PUT para endpoint /toggle alterando o status para false e resposta em formato JSON . . . 39 Figura 32 – Request GET enviado ao Web Service e retornando os dados em JSON . . 40 Figura 33 – Captura do Request GET enviado ao Web Service e redirecionado ao IP do

servidor CoAP . . . 41 Figura 34 – Request PUT enviado ao Web Service e retornando os dados em JSON . . 42 Figura 35 – Captura do Request PUT enviado ao Web Service e redirecionado ao IP do

servidor CoAP . . . 42 Figura 36 – Lâmpada acesa através do protocolo CoAP e Web Service REST . . . 43 Figura 37 – Execu¸cão inicial do Riot OS no Arduino . . . 52

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LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS

6LoWPAN IPv6 over Low Power Wireless Personal Area Networks API Application Programing Interface

CBOR Concise Binary Object Representation CSS3 Cascading Style Sheets 3

CoAP Constrained Application Protocol CoC Convention Over Configuration CoRE Constrained RESTful Environments DRY Don’t Repeat Yourself

DTLS Datagram Transport Layer Security FAQ Frequently Answered Questions

GND Ground

HTML HyperText Markup Language HTTP HyperText Transfer Protocol

IDE Integrated Development Environment IPv6 Internet Protocol Version 6

IoT Internet of Things

JSON JavaScript Object Notation

M2M Machine To Machine

MQTT Message Queue Telemetry Transport MVC Model View Controller

PHP Hypertext Preprocessor

REST Representational State Transfer RFID Radio Frequency Identification

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UDP User Datagram Protocol UHD Ultra High Definition URI Uniform Resource Identifier USB Universal Serial Bus

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SUMÁRIO 1 – INTRODU ¸CÃO . . . 1 1.1 ORGANIZA¸CÃO DO TRABALHO . . . 2 1.2 OBJETIVOS . . . 2 1.2.1 Objetivo Geral . . . 2 1.2.2 Objetivos Espec´ıficos. . . 3 2 – REVISÃO DA LITERATURA . . . 4

2.1 INTERNET DAS COISAS . . . 4

2.2 SMART HOME . . . 5

2.2.1 Gestão e eficiência energética . . . 6

2.2.2 Saúde . . . 6 2.2.3 Entretenimento . . . 7 2.2.4 Seguran¸ca . . . 7 2.3 SMART LIGHTING . . . 7 3 – FERRAMENTAS . . . 9 3.1 ARDUINO MEGA 2560 . . . 9 3.2 SHIELD ETHERNET W5100 . . . 9 3.3 M ÓDULO RELÉ . . . 10 3.4 CoAP . . . 11

3.5 WEB SERVICE REST . . . 13

3.6 RUBY . . . 14

3.7 RUBY ON RAILS . . . 14

4 – TRABALHOS RELACIONADOS . . . 16

4.1 FILIPEFLOP - ACENDENDO LˆAMPADAS PELA INTERNET . . . 16

4.2 LELYLAN - IOT CLOUD PLATFORM . . . 17

4.3 IKEA Tr˚adfri - SMART LAMPS . . . 18

4.4 DIFERENCIAL TECNOL ´OGICO. . . 19

5 – METODOLOGIA . . . 20

5.1 DEFINI¸C˜AO DAS TECNOLOGIAS . . . 20

5.2 ESTUDO DAS TECNOLOGIAS . . . 20

5.3 ELABORA¸C˜AO E MONTAGEM DO CIRCUITO F´ISICO . . . 21

5.4 DESENVOLVIMENTO DO WEB SERVICE . . . 21

5.5 DESENVOLVIMENTO DO SERVIDOR E APLICA¸C˜AO . . . 21

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6 – DESENVOLVIMENTO . . . 23

6.1 HARDWARE - PARTE F´ISICA . . . 23

6.1.1 Arduino . . . 23

6.1.2 Ethernet Shield . . . 24

6.1.3 Rel´e . . . 25

6.1.4 Lˆampada . . . 25

6.2 MONTAGEM DO CIRCUITO . . . 25

6.3 SOFTWARE - PARTE L ´OGICA . . . 28

6.3.1 Servidor CoAP . . . 29

6.3.2 Endpoints CoAP e Arduino . . . 30

6.3.3 Web Service . . . 30

7 – AN´ALISE E DISCUSS˜AO DOS RESULTADOS . . . 32

7.1 CoAP ARDUINO. . . 32

7.2 CoAP WEB SERVICE . . . 36

7.3 INTEGRA¸C˜AO SERVIDOR COAP E WEB SERVICE . . . 40

8 – CONCLUS˜AO . . . 44

8.1 CONSIDERA¸C ˜OES FINAIS . . . 45

8.2 TRABALHOS FUTUROS . . . 45

Referˆencias . . . 46

Apˆ

endices

49

APˆENDICE A–MUDAN ¸CA DE LINGUAGEM DE PROGRAMA¸C˜AO . . . . 50

(15)

1

1 INTRODU ¸C˜AO

A sociedade atual está passando por uma grande mudan¸ca tecnológica, têm se entrado aos poucos na era da Internet of Things, em tradu¸cão direta, Internet das Coisas. Essa mudan¸ca será uma revolu¸cão no que diz respeito não somente a como as pessoas interagirão com gadgets e objetos que tenham capacidade de se conectar a Internet, mas também, como os próprios objetos interagirão entre si. A IoT, fará com que tais objetos, aliados a diversos sensores, possam ser controlados e acessados remotamente, fazendo com que se tornem inteligentes, com capacidade de comunica¸cão entre si de processar várias informa¸cões (MANCINI, 2017).

Com a ideia de objetos inteligentes, pode-se transportar a IoT para diversos ambientes, e uma das áreas de grande pesquisa diz respeito às casas inteligentes, ou Smart Homes. Vários sensores independentes porém todos interconectados pela rede pessoal. Controle de temperatura, luminosidade, umidade, deteçcão de movimento, eletrodomésticos inteligentes, todos compartilhando informa¸cões, todos processando dados e acess´ıveis ao controle dos usuários.

Resultando de uma convergência de tecnologias em diversas áreas como entretenimento, seguran¸ca, gerenciamento de energia, e cuidados com a saúde, as Smart Homes podem ajudar a resolver vários problemas e desafios atuais, como por exemplo, o consumo eficiente e econômico de energia elétrica (NASCIMENTO,2016), já que, os sensores além de operarem sob baixo custo de eletricidade, poderão fazer com que a conta de luz fique mais baixa, fazendo com que luzes se apaguem automaticamente e ambientes tenham sua temperatura ajustada automaticamente às necessidades dos usuários, e, juntamente com todos esses equipamentos, dispositivos também farão a medi¸cão dos gastos para verificar o que está consumindo mais, e ordenando os mesmos a usar menos energia (ROBLES; KIM, 2010).

O presente trabalho, oferece uma solu¸cão para controle de lâmpadas via rede, utilizando uma placa microcontroladora, um servidor que utiliza um protocolo de conexão para IoT e um Web Service. Fornecendo ao usuário, controle sobre as informa¸cões de estado de uma lâmpada, bem como possibilitando a altera¸cão de seu estado.

(16)

Cap´ıtulo 1. INTRODU¸C ˜AO 2

1.1 ORGANIZA¸C˜AO DO TRABALHO

Este trabalho está organizado em sete cap´ıtulos principais, sendo eles, o cap´ıtulo 1, a introdu¸cão, onde além do texto de introdu¸cão do trabalho, encontram-se descritos os objetivos propostos, sendo separados em objetivo geral e objetivos espec´ıficos.

No cap´ıtulo 2 encontra-se uma revisão da literatura e fundamenta¸cão teórica, contendo conceitos e informa¸cões importantes sobre a área de estudo em que o trabalho se encontra. Será introduzido o conceito de Internet das Coisas, passando por casas inteligentes e áreas de aplica¸cão, e finalizando na área de foco do trabalho, Smart Lighting.

O cap´ıtulo 3 contem um descritivo das diversas ferramentas que foram utilizadas para se chegar ao objetivo do trabalho, explicando o que é cada uma para um melhor entendimento do trabalho em si. E em seguida, no cap´ıtulo 4, são apresentados 3 trabalhos relacionados, um web server com Arduino para acender lâmpadas pela Internet, uma plataforma e ferramenta para controle de dispositivos IoT, e por fim, um kit de ilumina¸cão inteligente desenvolvido por uma empresa do ramo de móveis que já se encontra dispon´ıvel no mercado.

No cap´ıtulo 5, é apresentada a metologia envolvida no trabalho, passando por diversas se¸cões descrevendo cada etapa que foi realizada no desenvolvimento do trabalho, desde a defini¸cão e estudo das tecnologias, montagem do circuito, desenvolvimento da aplica¸cão e testes.

No cap´ıtulo 6, é descrito de maneira mais aprofundada com esquemas e imagens o que cada componente do circuito é responsável por fazer, qual a fun¸cão de cada tecnologia empregada, e como foi desenvolvido o trabalho.

Já no cap´ıtulo 7, são mostrados todos os resultados obtidos de testes realizados com as solu¸cões desenvolvidas. Passando primeiramente pelos testes com o servidor CoAP rodando no Arduino. Após, são mostrados os resultados envolvendo o Web Service desenvolvido durante o trabalho. E por fim, são apresentados os resultados dos testes envolvendo a integra¸cão do servidor CoAP e do Web Service, bem como a apresenta¸cão do resultado final obtido.

Por último, no capitulo 8, são feitas as conclusões e as considera¸cões finais acerca do tema e do trabalho.

1.2 OBJETIVOS

Nesta se¸c˜ao, s˜ao apresentados os objetivos do presente trabalho, sendo estes, divididos em objetivo geral, e objetivos espec´ıficos.

1.2.1 Objetivo Geral

O objetivo do trabalho é desenvolver e apresentar uma solu¸cão para Smart Lighting através de um circuito f´ısico e um Web Service que se comuniquem entre si por meio da rede e fa¸cam com que seja poss´ıvel controlar uma lâmpada

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Cap´ıtulo 1. INTRODU¸C ˜AO 3

1.2.2 Objetivos Espec´ıficos

• Estudo e pesquisa de tecnologias na ´area de IoT.

• Implementar o controle da lˆampada fazendo uso do Arduino Mega.

• Desenvolver o Web Service para comunica¸c˜ao com o microcontrolador em linguagem Ruby, utilizando o framework para desenvolvimento web Ruby on Rails.

• Realizar a comunica¸c˜ao do microcontrolador com o Web Service atrav´es do protocolo de rede CoAP.

• Certificar-se de que é poss´ıvel acender, apagar e obter o status sobre a lâmpada através da rede.

(18)

4

2 REVIS˜AO DA LITERATURA

Nesse cap´ıtulo, será abordado, a revisão da literatura, delimitando o escopo, área de estudo e aplica¸cão onde o trabalho está alocado.

2.1 INTERNET DAS COISAS

O termo Internet das Coisas foi utilizado pela primeira vez em 1999 por Kevin Ashton para descrever um sistema onde objetos no mundo f´ısico poderiam se conectar com a Internet por meio de sensores. Nesse sistema, Ashton ilustrava o poder de conectar dispositivos de identifica¸cão por radio frequência (RFID) na rede para contar e rastrear objetos sem interven¸cão humana. Atualmente, a Internet das Coisas tem se tornado popular na descri¸cão de cenários onde a conectividade e o poder computacional se estendem para uma larga variedade de objetos, dispositivos, sensores e itens comuns do dia-a-dia. A figura 1 exemplifica a capacidade da IoT em estar dispon´ıvel a partir de qualquer dispositivo, qualquer contexto, para qualquer pessoa, qualquer servi¸co, em qualquer rede e em qualquer lugar (MULANI; PINGLE, 2016).

Figura 1 – Internet das coisas

Fonte: Adaptado de Mulani e Pingle(2016)

A Internet das Coisas é fundamentada no conceito de Web Ub´ıqua, na qual a conecti-vidade e interaticonecti-vidade entre pessoas, informa¸cões, processos e objetos por meio de tecnologias que garantem o acesso à rede torna-se cada vez mais presente no cotidiano, a ponto de que quase não sejam percept´ıveis. Haverão diversos dispositivos que incluem sensores

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inteli-Cap´ıtulo 2. REVIS ˜AO DA LITERATURA 5

gentes, equipamentos eletrônicos, eletrodomésticos, automóveis, que, a partir de aplica¸cões, se adaptarão automática e dinamicamente às necessidades dos seus usuários (LACERDA; LIMA-MARQUES,2015).

Existem diversas questões que são levantadas em rela¸cão a IoT, dentre elas estão inclu´ıdas questões de seguran¸ca, privacidade, interoperabilidade, legalidade e questões econô-micas. Não seria nem um pouco interessante que pessoas desconhecidas tivessem acesso à dispositivos e sensores de uso pessoal, pois isso deixaria portas abertas para ataques ao mesmo tempo que também seria viola¸cão de privacidade, tais questões exigirão cria¸cão de novas leis ou adapta¸cões de leis existentes. Outro problema está relacionado a interoperabilidade e aos padrões de conexões. Como os objetos precisam se comunicar, é necessário que todos fa¸cam uso dos mesmos protocolos e linguagens, garantindo assim a praticidade na hora de inserir novos dispositivos na rede (MULANI; PINGLE,2016). Do ponto de vista econômico, segundo a Gartner, Inc., uma das principais empresas de pesquisa do mundo, haverão cerca de 26 bilhões de dispositivos IoT em 2020, excluindo computadores pessoais, smartphones e tablets, representando um aumento de aproximadamente 30 vezes o número de 0,9 bilhões de 2009. Ainda segundo a Gartner, a IoT em rela¸cão a produtos e presta¸cão de servi¸cos gerará uma receita adicional superior a 300 bilhões de dólares, o que resultará em 1,9 trilhões na economia global em valor agregado (GARTNER,2013).

2.2 SMART HOME

Smart Home, que, em tradu¸cão direta significa Casa Inteligente, é um conceito que envolve várias áreas de conhecimento da ciência e engenharia. O termo Smart Home é comumente utilizado para definir uma residência que integra tecnologia e servi¸cos através de uma rede com o objetivo de aprimorar a eficiência energética e melhorar a qualidade de vida (MOWAMAD; FATHY; HAFEZ, 2014).

Seguindo a ideia de IoT, onde há vários objetos conectados que trocam informa¸cões, a figura 2 exemplifica uma Smart Home, onde uma residência pode possuir sistemas avan¸ca-dos para controlar ilumina¸cão, temperatura, interruptores, equipamentos de entretenimento e multim´ıdia, monitoramento e seguran¸ca. O ambiente deve moldar-se aos moradores da casa, podendo ser controlado por comandos de voz, acesso remoto ou computador pessoal, transformando assim, uma simples casa em uma casa inteligente e proporcionando aos seus moradores: conforto, eficiência, independência e seguran¸ca (TULY, 2016).

(20)

Cap´ıtulo 2. REVIS ˜AO DA LITERATURA 6

Figura 2 – Smart Home

Fonte:Energy (2016)

Ainda segundo Tuly (2016), as Smart Homes s˜ao divididas em quatro ´areas nas quais os dispositivos precisam ser capazes de oferecer bons resultados, sendo elas:

• Gestão e Eficiência de Energia • Saúde

• Entretenimento • Seguran¸ca

2.2.1 Gestão e eficiência energética

A maior parte do consumo mundial de energia atual é proveniente do uso residencial. E com a popula¸cão crescendo rapidamente, a demanda por energia elétrica cresce junto. Com a entrada da IoT e das Smart Homes na sociedade, a quantidade de energia consumida por residências aumentará ainda mais. Tendo isso em mente, um dos objetivos do conceito de Smart Home é a busca por maneiras de se obter um sistema de gerenciamento residencial de energia sustentável e eficiente, e ainda assim utilizar dos avan¸cos tecnológicos (TULY, 2016). 2.2.2 Saúde

Essa área de aplica¸cão da Smart Home é de grande interesse por parte de pesquisadores, visto que existe um significante aumento da popula¸cão idosa. Acredita-se que o estudo da área será útil para resolu¸cão de várias questões relacionadas a pessoas com idade avan¸cada, como por exemplo, solidão, incapacidade, limita¸cões cognitivas e a saúde em geral, sendo

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que será facilitada a tarefa de monitoramento (TULY, 2016). Vários tipos de dispositivos e tecnologias relacionadas a saúde inteligente podem conter sensores que verificam o corpo, coletando informa¸cões importantes e as enviando para o médico ou para os responsáveis pelo paciente.

2.2.3 Entretenimento

Segundo Mendes et al. (2015), o consumo de m´ıdias digitais, sejam elas músicas, v´ıdeos, imagens, jogos eletrônicos, tem crescido cada vez mais dentro de casas com o passar dos anos, e novas formas de entretenimento estão se tornando bastante populares, mudando permanentemente a maneira como as pessoas agem e interagem com elas. E essa área têm mostrado enorme potencial. Formatos como Ultra High Definition (UHD) necessitam de conexões com latências extremamente baixas e alta capacidade de banda, além disso, a grande quantidade de dados irá requirir conexão em tempo real de vários, possivelmente distribu´ıdos, recursos de processamento de m´ıdia.

2.2.4 Seguran¸ca

As tecnologias de Smart Home contribuem muito no quesito de seguran¸ca para seus habitantes. Segundo Tuly(2016), existem dois tipos de seguran¸ca em que os dispositivos nos ajudarão. Primeiro com rela¸cão aos eventos anormais dentro da casa, onde sensores térmicos, l´ıquidos, de movimentos e de proximidade avisam sobre incêndios, alagamentos, e poss´ıveis acidentes que possam vir a ocorrer. Já o segundo, é um grande avan¸co no que diz respeito a deteçcão de invasões, roubos e assaltos. É importante que os equipamentos e a rede sejam de boa qualidade, pois esse tipo de solu¸cão requer tráfego de informa¸cões em tempo real e uma capacidade autossuficiente de informar se deteçcões e altera¸cões no status dos sensores são reais e não apenas falsos positivos (MENDES et al., 2015).

2.3 SMART LIGHTING

A demanda por energia elétrica têm crescido drasticamente com a chegada de novos aparatos eletrônicos no mercado e isso afeta diretamente no pre¸co que pagamos pelo forneci-mento desse recurso. A IoT busca, como um de seus princ´ıpios, o uso eficiente da energia, e o conceito de Smart Lighting está ligado diretamente a isso, sendo a área de estudo da IoT voltada a solu¸cões para ilumina¸cão inteligente de ambientes.

Segundo Martirano (2011), o uso de energia elétrica para a ilumina¸cão deve adotar maneiras ativas e passivas para reduzir o consumo de energia pelo sistema sem afetar sua performance e ainda aumentando o conforto e seguran¸ca dos usuários. De acordo com o autor, existem duas estratégias para esse fim, eficiência e eficácia. A eficiência dos sistemas pode ser melhorada com o uso de equipamento de alta performance e pelo posicionamento e design da ilumina¸cão no ambiente, colocando luzes em pontos onde sua capacidade será melhor

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aproveitada. Já a eficácia, pode ser aperfei¸coada adotando controles automáticos de ilumina¸cão baseados nas necessidades tanto dos usuários quanto do ambiente em si, apagando luzes quando preciso, ajustando-se de acordo com o n´ıvel de luz natural e controlando a intensidade.

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9

3 FERRAMENTAS

Nesse cap´ıtulo, ser˜ao abordadas as tecnologias e componentes que foram utilizadas durante todo o desenvolvimento desse trabalho.

3.1 ARDUINO MEGA 2560

O Arduino, criado em 2005, é uma placa microcontroladora de baixo custo, funcional, e acess´ıvel para pessoas que não possuem um grande conhecimento de programa¸cão, podendo assim, ser utilizada para estudos e até projetos mais complexos. Com a proposta de Open Hardware (Hardware Livre), o Arduino se destaca no mercado já que qualquer pessoa interessada na tecnologia pode montar, modificar e personalizar a placa partindo do mesmo hardware básico (THOMSEN, 2014).

O Arduino Mega 2560 (Figura 3) é uma placa da plataforma Arduino baseada no microcontrolador ATmega2560. Ela possui 54 portas de entrada/sa´ıda digitais, 16 portas analógicas, clock de 16Mhz, conexão USB e conector para alimenta¸cão de energia externa. Com rela¸cão a memória, ele possui 256kb de memória Flash, dos quais 8kb são utilizados para o bootloader, 8kb de memória SRAM e 4kb de EEPROM (ARDUINO,2017). A principal razão da escolha do Arduino para esse trabalho, dá-se por conta de sua caracter´ıstica Open Hardware, pois o mercado disponibiliza fácil acesso aos módulos e sensores.

Figura 3 – Arduino MEGA 2560

3.2 SHIELD ETHERNET W5100

Por ser open hardware, é poss´ıvel estender as funcionalidades de uma placa fazendo uso de Shields, placas de hardware que são encaixadas no Arduino e podem exercer diversas fun¸cões como por exemplo, conexão com a Internet, motores, Wi-Fi, e muitos outros, podendo até mesmo empilhar Shields uns sobre outros, já que a maioria dispon´ıvel no mercado possui seus próprios conectores (REIS, 2015).

O Shield Ethernet W5100 (Figura4) permite que o Arduino seja conectado a uma rede local ou `a Internet, fazendo com que seja poss´ıvel ao microcontrolador responder a comandos

(24)

Cap´ıtulo 3. FERRAMENTAS 10

remotos, monitorar a placa ou sensores conectados a ela. O Shield será utilizado no trabalho para que seja poss´ıvel configurar um servidor e disponibilizar um endere¸co de IP para a qual a aplica¸cão estará executando.

Figura 4 – Shield Ethernet W5100

3.3 M ´ODULO REL´E

Módulos são dispositivos que são conectados nas portas analógicas e/ou digitais do Arduino e permitem ao desenvolvedor estender a capacidade da placa. Porém, diferentemente dos Shields, que mesmo conectados na placa, ainda disponibilizam a maioria das portas para utiliza¸cão no circuito, os módulos precisam fazer uso das portas, tornando as exclusivas para eles.

Existem vários módulos dispon´ıveis no mercado, como por exemplo, módulo Bluetooth, Ethernet, relé, entre outros. Para este trabalho, será utilizado o módulo relé. Um relé é uma chave mecânica que é acionada por um meio eletrônico, sendo assim, um dispositivo eletromecânico. Ele funciona como um interruptor, sendo utilizado para ligar ou desligar dispositivos, permitindo assim o funcionamento de outros aparelhos conectados ao circuito por conta de uma altera¸cão no equipamento causada pela passagem de corrente elétrica (CARVALHO,2015).

O módulo relé (Figura 5) é um módulo que pode ser utilizado no Arduino, possui três pinos para conexão com a placa, e três para sa´ıda (LIMA, 2015).

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Figura 5 – M´odulo rel´e

3.4 CoAP

Quando se fala sobre comunica¸cão entre dois ou mais dispositivos que estão conectados a uma rede, surge a necessidade de um conjunto de regras sobre como essa comunica¸cão será realizada, e esse conjunto é chamado de protocolo. Tais regras irão ditar a maneira com que será feita a troca de mensagens e/ou dados que compõe a rede, levando em considera¸cão as limita¸cões impostas pelo ambiente.

O Constrained Application Protocol (CoAP) foi criado em 2010 por um grupo chamado Constrained RESTful Environments (CoRE), com o objetivo de ser um framework para aplica¸cões que tratam recursos simples em dispositivos conectados em redes limitadas, como por exemplo, aplica¸cões que monitoram sensores, medidores, controlam atuadores e gerenciam dispositivos que compõe a rede. De acordo com a documenta¸cão do protocolo, o CoAP é voltado para dispositivos com pequena quantidade de memória RAM e redes restritas onde a taxa de perda de pacotes é alta. Foi também projetado para aplica¸cões M2M, como por exemplo, projetos de Smart Energy e Smart Home, interagindo diretamente com a Web de maneira similar ao HTTP, podendo ser considerado um protocolo RESTful (MARTINS; ZEM, 2014), já que faz uso dos principais verbos, GET, PUT, POST e DELETE, e pode-se acessar os recursos fazendo uso de Uniform Resource Identifiers (URIs) no formato coap://.

Do ponto de vista técnico, o CoAP foi desenvolvido para trabalhar na camada de aplica¸cão, cuja qual, normalmente é utilizado o protocolo HTTP para prover servi¸cos web. No entanto, o HTTP tem uma complexidade computacional muito alta, alto consumo de energia e baixa taxa de transferência de dados, fazendo com que sua aplica¸cão seja inviável em dispositivos com recursos limitados. Sendo assim, a inten¸cão do CoAP, é alcan¸car a mesma eficiência que o HTTP tem, porém, voltado exclusivamente para a IoT (CHEN, 2014). Na figura 6, pode-se ver as principais caracter´ısticas do protocolo CoAP.

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Figura 6 – Caracter´ısticas do protocolo CoAP

Fonte: Adaptado deChen(2014)

Assim como o HTTP, o protocolo CoAP trabalha com a arquitetura cliente/servidor, ou seja, um cliente irá enviar uma requisi¸cão ao servidor pedindo para que este fa¸ca alguma coisa. Assim que essa requisi¸cão chega no servidor, ela é processada, executada, e logo após a execu¸cão, o servidor envia uma resposta contendo informa¸cões sobre o processamento da requisi¸cão, juntamente com um código de estado, informando se ocorreu algum erro no caminho ou não. A figura 7, mostra um exemplo de requisi¸cão e resposta CoAP.

Figura 7 – Exemplo de requisi¸c˜ao e resposta CoAP

Fonte: (TEKLEMARIAM et al.,2016)

Porém, diferentemente do HTTP, o CoAP consegue trabalhar com envio de mensa-gens ass´ıncronas, utilizando a op¸cão Observe. Tal fun¸cão permite que dispositivos troquem

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informa¸cões sobre os recursos apenas quando há alguma altera¸cão, ou seja, os dispositivos podem ficar a maior parte do tempo em um modo de repouso, o que ocasiona um menor consumo tanto de processamento quanto de energia (MAZZER; FRIGIERI; PARREIRA, 2018).

Ainda segundo Mazzer, Frigieri e Parreira(2018), por possuir uma arquitetura baseada em REST, uma outra caracter´ıstica do protocolo CoAP, é a integra¸cão com o protocolo HTTP, permitindo assim, a cria¸cão de aplica¸cões robustas, onde clientes web podem acessar servidores CoAP utilizando um proxy por meio de uma URI comum, como por exemplo http://coap-app.com.br/light. Um cenário exemplo pode ser visto na figura 8.

Figura 8 – Cen´ario integrando CoAP e HTTP

Fonte: (MILBOURN,2016)

Como este trabalho utilizará um dispositivo com recursos limitados, e o foco do trabalho está principalmente no estudo, testes e utiliza¸cão das novas tecnologias voltadas para IoT, será utilizada uma implementa¸cão do CoAP para fazer a comunica¸cão e envio de mensagens do web service da aplica¸cão para o servidor.

3.5 WEB SERVICE REST

Web Services são, de acordo com a W3C Booth et al. (2004), um sistema de software responsável por realizar a comunica¸cão M2M através da rede. E para que um Web Service seja constru´ıdo de acordo com os padrões e funcione perfeitamente, ele precisa seguir alguns princ´ıpios.

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REST (Representational State Transfer ) é caracterizado como um paradigma arquite-tural, ou seja, uma série de princ´ıpios arquiteturais para que se possa construir Web Services. Também comumente chamados de API RESTful, nota-se que, um web service, ou API RESTful, é uma API que segue a arquitetura REST. Várias linguagens de programa¸cão aplicam os padrões REST, como por exemplo, Ruby, PHP, Python, Java, entre outras, pois trabalham, em diversas aplica¸cões, com as requisi¸cões HTTP (GET, POST, DELETE, PUT ), as quais os Web Services implementados fazendo a utiliza¸cão do REST também fazem uso. (PASQUA, 2015). 3.6 RUBY

Concebida no ano de 1993, pelo japonês Yukihiro Matsumoto, conhecido no mundo da programa¸cão como ”Matz”, e tornada pública em 1995, Ruby é uma linguagem que vem ganhando bastante espa¸co no mercado. Apesar de ter sido criada em 1993, foi apenas em 2006 que a linguagem atingiu uma grande aceita¸cão (RUBY, 2018).

O Ruby é uma linguagem interpretada, multiplataforma e de código livre, que tem o objetivo de ser simples, direta e limpa para se trabalhar, sendo que a leitura de um código Ruby, em muitas vezes se assemelha a própria l´ıngua inglesa. Possui diversas aplica¸cões, desde desktop até web, porém, sua popularidade nos últimos foi alavancada em grande parte pelo framework de desenvolvimento web Ruby on Rails. O Ruby também possui uma ferramenta chamada RubyGems, que, em poucas palavras, é um gerenciador de dependências, tornando poss´ıvel a instala¸cão de diversos módulos e bibliotecas adicionais, facilitando o desenvolvimento de código (VAZ, 2016).

3.7 RUBY ON RAILS

Ruby on Rails, ou apenas Rails, como é conhecido, é um framework para desenvolvi-mento web. Porém, antes de dar continuidade descrevendo o framework, é interessante definir o que exatamente é um framework para desenvolvimento web.

Segundo Jaques (2016), um framework para desenvolvimento web, é um conjunto de códigos e fun¸cões genéricas, desenvolvidos em alguma linguagem de programa¸cão, que se relacionam entre si para disponibilizar um conjunto de ferramentas. Tais ferramentas tem como objetivo facilitar o processo de desenvolvimento de um sistema web, resultando em um sistema com maior seguran¸ca, padronizado e de fácil manutenibilidade. Ou seja, um framework é, em poucas palavras, uma ”caixa de ferramentas”, com diversas funcionalidades que são comuns em várias aplica¸cões, sendo tais funcionalidades devidamente implementadas, testadas e prontas para serem utilizadas em softwares.

Rails ´e um framework open source desenvolvido na linguagem Ruby que tem como foco o desenvolvimento web simplificado. Foi criado em 2003 por David Heinemeier Hansson, anunciado oficialmente em 2004, e em 2005 chegou a sua vers˜ao 1.0, mas foi somente em

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2006 que o framework ganhou bastante aten¸c˜ao da comunidade de desenvolvedores, sendo esse um dos principais motivos da populariza¸c˜ao da linguagem Ruby (CAELUM, 2015).

Ainda segundo Caelum (2015), o Rails possui como os dois principais pilares, os conceitos Don’t Repeat Yourself, conhecido como DRY, e o Convention over Configuration, ou CoC. O primeiro conceito incentiva a reutiliza¸cão de código, conceito vindo também do paradigma de programa¸cão orientado a objetos. A principal ideia é manter cada fun¸cão escrita apenas uma vez dentro do código e reutilizá-la onde for preciso fazendo apenas a chamada de tal fun¸cão, isso torna o código menos propenso a erros e de fácil manuten¸cão. Já o segundo, faz referência a maneira como o Rails trabalha com padrões e nomes. O processo de desenvolvimento torna-se mais ágil ao seguir as conven¸cões impostas pelo framework, como por exemplo localiza¸cão de arquivos, nomes de classes e métodos, evitando que tenhamos que fazer milhares de configura¸cões.

No presente trabalho será utilizada a versão 2.5 da linguagem Ruby, em conjunto com o framework Ruby on Rails, na versão 5.2, para o desenvolvimento do Web Service. Os motivos da escolha se dão pela ampla comunidade de desenvolvedores, projetos abertos dispon´ıveis na Internet, o suporte multiplataforma, e principalmente pela disponibilidade da implementa¸cão do protocolo CoAP na linguagem.

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4 TRABALHOS RELACIONADOS

Nesse cap´ıtulo, ser˜ao apresentados projetos e trabalhos que se relacionam ao tema, possuem algumas caracter´ısticas, ou se assemelham ao trabalho desenvolvido, bem como uma pequena discuss˜ao analisando e comparando os trabalhos com o presente trabalho.

4.1 FILIPEFLOP - ACENDENDO LˆAMPADAS PELA INTERNET

Nesse trabalho, o autor faz o uso do Arduino e alguns componentes, como o Shield Ethernet, o módulo relé e lâmpadas para criar um sistema que controla luzes pela Internet. Foi desenvolvido um Web Server utilizando as bibliotecas nativas do Arduino, e o mesmo consegue obter informa¸cões e alterar o status das lâmpadas através do acionamento dos relés. Tal acionamento é feito por por um script na linguagem JavaScript, que, ao detectar o evento de clique no botão definido no HTML, envia uma informa¸cão com o estado da lâmpada para uma div (elemento HTML) que está oculta da visão do usuário. Essa informa¸cão é então capturada pelo Arduino, verificada e por fim enviada ao módulo relé, permitindo assim, a passagem ou não da corrente elétrica para acender ou desligar a lâmpada, como mostrado na figura 9(THOMSEN, 2015).

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Cap´ıtulo 4. TRABALHOS RELACIONADOS 17

Figura 9 – Web Server acendendo lˆampadas

Fonte:Thomsen (2015)

4.2 LELYLAN - IOT CLOUD PLATFORM

O projeto Lelylan é uma plataforma em nuvem de microservi¸cos arquiteturais para a IoT voltada ao público desenvolvedor. Em outras palavras, a ferramenta fornece um painel de controle e uma API para monitorar e controlar dispositivos f´ısicos, com o objetivo de dividir a complexidade da Internet das Coisas em vários pequenos e independentes microservi¸cos, podendo ser instalada em qualquer servidor de nuvem público e com suporte, no momento para as linguagens Curl, Ruby, Node.js e AngularJS. A API também da suporte para vários hardwares encontrados no mercado, como por exemplo o Arduino Yun, Raspberry PI, Eletric Imp, Spark Core, Netduino, Texas Instruments CC3000/CC3200, ou quaisquer outros que ofere¸cam suporte ao protocolo MQTT (LELYLAN, 2017).

Por meio do painel de gerenciamento, o usuário pode facilmente ter acesso a op¸cões de adicionar, editar, remover e monitorar quaisquer dispositivos, como por exemplo, sensores de umidade, movimento, alarmes, câmeras, fechaduras e inclusive lâmpadas inteligentes que sejam suportados pela API, tornando assim menos trabalhosa a conexão de sensores e atuadores na rede. Na figura 10é mostrado o cadastro de um dispositivo, após esse cadastro, será fornecido um código identificador e uma senha para realizar a conexão com a rede por meio do protocolo MQTT (LELYLAN, 2017).

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Figura 10 – Inserindo um dispositivo no Lelylan

Fonte: Lelylan(2017)

Após criado o dispositivo no sistema, o usuário apenas conecta o dispositivo f´ısico por meio dos dados fornecidos, e assim, ele ficará dispon´ıvel para controle a partir do painel de gerenciamento.

4.3 IKEA Tr˚adfri - SMART LAMPS

No mês de mar¸co de 2017, a empresa sueca Ikea, maior empresa do mundo no setor de fabrica¸cão e venda de móveis, e mundialmente conhecida por seus pre¸cos baixos (segundoJappe (2014)), lan¸cou uma nova linha de produtos de automa¸cão residencial voltada para ilumina¸cão inteligente, chamada Tr˚adfri. A linha consiste de lâmpadas, sensores de presen¸ca, ponto de conexão (gateway ) para várias lâmpadas e ajuste de ilumina¸cão por controle remoto, podendo ser encontrada por valores variando entre $11.99 para uma única lâmpada até $79.99 para o kit (figura 11) com duas lâmpadas, controle remoto e gateway (IKEA, 2017). (LELYLAN,2017).

Do ponto de vista técnico, o produto é bastante atraente dentro dos conceitos da IoT, pois funciona sem necessitar de muita configura¸cão. O kit com lâmpada e controle remoto já vem pré-configurado, e a aquisi¸cão do gateway é somente necessária se o usuário quiser utilizar o controle pela rede através de um computador ou do aplicativo para smartphone e definir configura¸cões inteligentes. A comunica¸cão com o gateway é feita através do protocolo CoAP, e entre os dispositivos é através do ZigBee, um protocolo de comunica¸cão com baixo consumo energético projetado para redes locais e de curta distância baseado no padrão IEEE802.15.4 (DENG et al.,2016), isso significa que não é necessário que as lâmpadas na rede sejam somente da mesma marca, ou seja, o usuário pode comprar e conectar facilmente lâmpadas de outras marcas, como por exemplo a Philips Hue e outros (SCHOUTSEN, 2017).

Uma das grandes vantagens do produto é também a compatibilidade com os sistemas de gerenciamento inteligentes como por exemplo o Apple Homekit, Google Home, e também a

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Figura 11 – Kit Smart Lighting Ikea

Fonte: IKEA(2017)

assistente virtual Amazon Alexa. E ainda segundo a se¸cão de FAQ (perguntas mais comuns) do site da empresa, eles estão trabalhando em uma API livre para desenvolvedores que queiram projetar seus próprios ambientes de ilumina¸cão inteligente baseado na linha Tr˚adfri. Mas apesar de todas as vantagens do produto, uma grande desvantagem, devido ao fato da limita¸cão da rede provida pelo ZigBee, é que o sistema funcionará apenas na rede local de onde for instalado, inviabilizando o controle remoto das lâmpadas (SCHOUTSEN,2017).

4.4 DIFERENCIAL TECNOL ´OGICO

O primeiro trabalho utiliza as bibliotecas nativas do Arduino a fim de cumprir o objetivo, que é acender as lâmpadas via rede utilizando IP. A constru¸cão do projeto é simples e serve como base para a montagem do circuito f´ısico do presente trabalho. Uma rápida busca na internet e nos deparamos com vários projetos semelhantes utilizando o Ethernet Shield. Já o segundo trabalho, consegue alcan¸car o mesmo objetivo mas de uma maneira mais complexa e fazendo o uso de um protocolo de rede para IoT, o MQTT, oferecendo um painel de controle onde é poss´ıvel interagir com os dispositivos. Um diferencial do segundo projeto é que a API fornecida oferece suporte a diversos hardwares e linguagens de programa¸cão de alto n´ıvel. E por fim, o terceiro projeto é um produto que já está no mercado desde o primeiro semestre do ano de 2017, sendo em suma, bastante parecido com este trabalho, fazendo inclusive uso do mesmo protocolo de rede para a comunica¸cão das lâmpadas e gateway, o CoAP, porém, com o principal diferencial de utilizar ZigBee para funcionamento apenas na rede local.

Apesar de o objetivo final de todos os trabalhos serem o mesmo, acender uma lâmpada via rede, o principal diferencial dos três trabalhos apresentados, para com o presente trabalho, está na utiliza¸cão do protocolo CoAP em conjunto com a plataforma Arduino, sendo que, tal protocolo que não é encontrado nas bibliotecas nativas da placa.

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5 METODOLOGIA

Neste cap´ıtulo, s˜ao apresentadas e descritas as etapas que foram realizadas, na tentativa de cumprir com os objetivos inicialmente propostos. Sendo assim, o presente cap´ıtulo est´a organizado da seguinte maneira:

• Defini¸c˜ao das tecnologias;

• Estudo de cada uma das tecnologias selecionadas; • Elabora¸c˜ao e montagem do circuito f´ısico;

• Desenvolvimento do Web Service;

• Desenvolvimento do servidor e aplica¸c˜ao; • Realiza¸c˜ao de testes gerais;

5.1 DEFINI¸C˜AO DAS TECNOLOGIAS

Dando in´ıcio ao trabalho, em um primeiro momento foram definidas as tecnologias a serem utilizadas. É importante ressaltar que o intuito do presente trabalho, é de estudar as tecnologias propostas, obter conhecimento suficiente para ser capaz de estruturar um projeto fazendo o uso das mesmas, e sempre levando em considera¸cão as limita¸cões impostas pelas tecnologias definidas. Tendo isso em mente, como mencionado em se¸cões anteriores, o presente trabalho utilizará as seguintes tecnologias:

• Linguagem Ruby e framework Ruby on Rails • Arduino Mega 2560

• Shield Ethernet • M´odulo Rel´e • Protocolo CoAP

• Cliente CoAP para testes

A escolha de tais tecnologias foi feita com base em pesquisas e leituras, concluindo que estas seriam as que melhor atenderiam as necessidades do projeto. Foram também levados em conta na escolha, critérios como, a comunidade ativa relacionada, facilidade de acesso, eficácia e importância dentro do contexto do trabalho.

5.2 ESTUDO DAS TECNOLOGIAS

Esta etapa foi constitu´ıda por diversas pesquisas na Internet, em livros, documenta¸cões, manuais, entre outros, referentes a todas as tecnologias que foram utilizadas no trabalho, até que fosse formada uma base de conhecimento necessária para dar in´ıcio ao desenvolvimento propriamente dito. Porém, vale lembrar que o estudo da literatura dispon´ıvel se estendeu durante toda a fase de desenvolvimento.

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Cap´ıtulo 5. METODOLOGIA 21

5.3 ELABORA¸C˜AO E MONTAGEM DO CIRCUITO F´ISICO

Após a defini¸cão e estudos iniciais das tecnologias, o próximo passo foi montar o circuito f´ısico utilizado no trabalho, para em seguida, dar prosseguimento à fase de codifica¸cão. O circuito é composto por uma placa microcontroladora Arduino Mega 2560, um shield Ethernet, um módulo relé, cabos de conexão e uma lâmpada. Após a montagem do circuito, foram realizados testes, a fim de certificar-se de que todas as conexões estavam corretas.

5.4 DESENVOLVIMENTO DO WEB SERVICE

Nesta etapa, utilizando uma IDE ou editor de texto, foi constru´ıdo o web service utilizando a linguagem Ruby, juntamente com o framework Ruby on Rails. O Web Service é responsável por receber as requisi¸cões vindas do cliente e enviar requisi¸cões ao servidor CoAP no Arduino, tais requisi¸cões podem ser, GET, para retribuir as informa¸cões e estado da lâmpada, e PUT, com o objetivo de alterar o estado da lâmpada, ou seja, acender ou apagar. Assim que o servidor CoAP responder corretamente a requisi¸cão que foi enviada, o Web Service se encarrega de retornar as informa¸cões em formato JSON, sendo que, tais informa¸cões poderiam ser utilizadas para construir um painel de controle para um usuário final.

Ao utilizar a linguagem Ruby em conjunto com o framework para desenvolvimento web Ruby on Rails, pode-se utilizar uma Gem (um tipo de biblioteca bastante utilizada no mundo Ruby e Rails), com uma implementa¸cão de um servidor e cliente CoAP, eliminando assim a necessidade da utiliza¸cão de um proxy na estrutura do trabalho, como mencionado no apêndice A. Tal biblioteca chama-se ”David”, foi desenvolvida pelo cientista da computa¸cão Henning Mueller, e encontra-se dispon´ıvel publicamente no repositório do GitHub do desenvolvedor (MUELLER, 2018).

5.5 DESENVOLVIMENTO DO SERVIDOR E APLICA¸C˜AO

Após a montagem do circuito e todas as conexões f´ısicas necessárias, utilizou-se uma implementa¸cão do CoAP chamada Microcoap, desenvolvida na linguagem C e dispon´ıvel no repositório https://github.com/1248/microcoap do GitHub, para colocar o servidor CoAP na rede. Foram também desenvolvidos os endpoints GET e PUT necessários para responder as requisi¸cões da aplica¸cão e que são responsáveis por retribuir informa¸cões e acender/apagar a lâmpada, fazendo assim dessa etapa, de grande importância para o trabalho como um todo. 5.6 REALIZA¸CÃO DE TESTES

Durante a fase de desenvolvimento e codifica¸c˜ao do trabalho, foram feitos testes em cada componente e suas respectivas funcionalidades, com o objetivo de identificar quaisquer erros que pudessem prejudicar o sistema ou serem fator limitante para o sucesso do trabalho. O objetivo dessa etapa era o de garantir o funcionamento de cada parte de acordo com os

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Cap´ıtulo 5. METODOLOGIA 22

objetivos anteriormente propostos, verificando a estabilidade do servi¸co e consistência dos dados enviados e recebidos através do servidor, efetuando corre¸cões sempre que necessário.

Para os testes com o servidor, utilizou-se um cliente CoAP com o objetivo de fazer as requisi¸c˜oes GET e PUT. Para isso, foi feito o uso do coap-cli, uma interface de linha de comando para CoAP, desenvolvida em node.js (COLLINA,2016).

Utilizou-se também, para os testes, a aplica¸cão Wireshark, que tem como objetivo analisar o tráfego de rede e mostrar dados sobre todas as requisi¸cões e respostas dos protocolos utilizados (WIRESHARK, 2018). Nesse caso, foi analisada a rede em que os dispositivos se encontravam, em busca das informa¸cões sobre as mensagens CoAP transferidos durante os testes do trabalho.

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6 DESENVOLVIMENTO

Nesse cap´ıtulo, são descritas mais aprofundadamente as etapas do desenvolvimento, o que cada parte da estrutura do trabalho é responsável por fazer, as caracter´ısticas de cada etapa e como funciona a conexão entre as diversas partes do sistema como um todo.

Tendo as tecnologias e objetivos bem definidos, deu-se in´ıcio à prototipagem do sistema em geral, procurando entender todos os pontos de comunica¸cão e quais eram os principais desafios. Pode-se, de maneira simplória, separar o sistema em duas partes maiores, sendo elas o hardware, e o software, as quais, para melhor entendimento, a partir desse ponto, serão chamadas respectivamente de parte f´ısica, e parte lógica. Ambas serão organizadas como subse¸cões do desenvolvimento. E abrindo o escopo, serão separados também o desenvolvimento da parte f´ısica e lógica em sub-subse¸cões mais espec´ıficas dentro de cada uma.

6.1 HARDWARE - PARTE F´ISICA

A parte f´ısica do sistema foi constru´ıda a partir dos componentes definidos anterior-mente, que s˜ao os seguintes:

• Arduino Mega 2560 • Shield Ethernet • Módulo Relé • Lâmpada comum

Para se ter um melhor entendimento de como os componentes se comportam e como deveriam ser conectados entre si, antes de prosseguir com a montagem do circuito de maneira f´ısica, foi desenvolvido atrav´es da ferramenta Fritzing1_{, um prot´otipo do circuito, representado}

a seguir na figura 12, que ajudou a entender melhor a parte f´ısica do trabalho.

Analisando a figura, pode-se dividir as fun¸c˜oes de cada um dos componentes. 6.1.1 Arduino

A placa microcontroladora Arduino é responsável gerenciar toda a aplica¸cão, integrando todos os componentes, trocando informa¸cões com o Web Service e disparando sinais para o módulo relé com o objetivo de acender ou apagar a lâmpada. O servidor CoAP foi compilado e transferido para a execu¸cão no Arduino. Em outras palavras, a placa é o cérebro da aplica¸cão, já que todo o servidor e lógica da aplica¸cão é executado por ela.

1_{Ferramenta grátis e de código aberto com o intuito de tornar a área da eletrônica acess´ıvel para qualquer}

pessoa que tenha interesse, oferecendo um software e um f´orum para a comunidade ativa, permitindo aos usu´arios documentar e compartilhar seus projetos, bem como criar e produzir circuitos e placas profissionalmente (FRITZING,2017).

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Cap´ıtulo 6. DESENVOLVIMENTO 24

Figura 12 – Circuito de componentes

Fonte: Autoria pr´opria

6.1.2 Ethernet Shield

Como o Arduino Mega 2560 não possui nativamente nenhum tipo componente que permita a comunica¸cão com a Internet, foi utilizado o shield ethernet para estender a funcionalidade da placa e permitir que ele se conecte à rede. No que diz respeito a conexão das portas, o shield foi constru´ıdo com o intuito de ser facilmente integrado à placa, sendo que é apenas necessário posicioná-lo de forma com que os pinos centrais se encaixem corretamente e a porta de conexão do RJ45 fique exatamente em cima da porta USB do Arduino, como pode ser visto na figura 13.

Figura 13 – Montagem do Shield no Arduino

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Pode-se dizer que o shield é um dos componentes mais importantes do trabalho, pois sem ele não seria poss´ıvel fazer com que o servidor CoAP, que é executado pelo Arduino, recebesse um endere¸co de IP, impedindo assim que requisi¸cões enviadas pelo Web Service chegassem até o servidor pela rede.

6.1.3 Rel´e

O módulo relé foi conectado como no esquema mostrado na figura 12, um cabo sai da porta 5v do Arduino para a porta 5v do relé, permitindo que ele tenha energia suficiente para ser acionado. Outro cabo sai da porta GND (ground) do Arduino e vai até a porta GND do relé, o objetivo dessa conexão é evitar que se tenha interferências na corrente elétrica do trabalho. E a última porta, sendo a porta lógica, parte de alguma das portas dispon´ıveis no Arduino, no caso deste trabalho, a porta número nove, para a única que sobrou do relé.

Na sa´ıda do relé, cabos isolados são conectados na lâmpada e na rede elétrica. O relé atua como um interruptor no circuito, pois é ele quem recebe o sinal para abrir ou fechar, deixando com que a corrente elétrica passe ou não para acender a lâmpada.

6.1.4 Lˆampada

Por último e no fim do circuito, encontra-se uma pequena lâmpada comum, conectada à sa´ıda do relé por meio de cabos isolados para evitar choques, e também à rede elétrica, para ter energia suficiente para acender completamente. A lâmpada deve acender ou apagar conforme a a¸cão do relé.

6.2 MONTAGEM DO CIRCUITO

Assim que todos os componentes foram adquiridos, dando in´ıcio ao projeto, o primeiro passo dado foi construir o circuito f´ısico de acordo com o esquema mostrado anteriormente na figura 12. Atentando-se a todos os detalhes do esquema, pode-se ver o circuito constru´ıdo na figura 14

Para ter-se a garantia de que o circuito está completamente funcional, foi utilizada a solu¸cão disponibilizada por Thomsen (2015). Com algumas pequenas altera¸cões no código a fim de mapear o relé para a porta que está conectada no circuito constru´ıdo, conseguiu-se reproduzir o resultado esperado e ter uma garantia de que o circuito encontrava-se com todas as conexões feitas de maneira correta. O resultado pode ser visto abaixo na sequência de figuras 15,16 e17.

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Figura 14 – Circuito f´ısico finalizado

Figura 15 – Captura de tela da solu¸c˜ao de Thomsen (2015) antes de acionar a lˆampada

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Figura 16 – Captura de tela da solu¸cão de Thomsen (2015) após o acionamento da lâmpada

Figura 17 – Foto do experimento após acender a lâmpada utilizando a solu¸cão de Thomsen (2015)

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Após certificar-se de que o circuito funcionava corretamente, o próximo passo na constru¸cão da solu¸cão era codificar os endpoints CoAP e carregá-los juntamente com o servidor para serem executados no Arduino. E por fim desenvolver o Web Service, que conterá os recursos e se comunicará com o servidor CoAP através de requisi¸cões. Assim, passa-se para o desenvolvimento do software, parte lógica da aplica¸cão.

6.3 SOFTWARE - PARTE L ´OGICA

A parte lógica do sistema é onde se encontram os códigos e instru¸cões que realizam a comunica¸cão com o hardware e fazem o sistema funcionar, sendo responsável por trabalhar com todas as informa¸cões enviadas e recebidas. Tal parte foi constru´ıda utilizando as tecnologias definidas anteriormente, que são as seguintes:

• Protocolo CoAP • Linguagem C • Linguagem Ruby

• Framework Ruby On Rails

Novamente para ter-se um melhor entendimento onde as tecnologias seriam aplicadas, como se comportariam e interagiriam entre si, foi constru´ıdo um esquema com números e setas que mostram o fluxo de requisi¸cões e respostas entre os componentes do sistema. Tal fluxo é apresentado a seguir na figura 18.

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Figura 18 – Fluxo de funcionamento

Analisando a figura, é apresentado abaixo uma descri¸cão de cada ponto do fluxo e logo após, uma separa¸cão de cada uma das tecnologias, explicando suas fun¸cões dentro do sistema.

1. O cliente CoAP faz uma requisi¸cão ao Web Service para recuperar o estado da lâmpada (GET ), ou para alterar o estado da lâmpada, acendendo ou apagando (PUT ).

2. A requisi¸cão chega ao Web Service, e este envia a mesma requisi¸cão ao servidor da aplica¸cão.

3. O servidor CoAP da aplica¸cão processa a requisi¸cão e a envia para o servidor CoAP, este que está sendo executado pelo Arduino Mega2560.

4. O servidor CoAP recebe a requisi¸c˜ao que chega ao endpoint, processa, e dispara a a¸c˜ao para o Arduino executar.

5. O Arduino executa a a¸cão definida no endpoint, acendendo ou apagando a lâmpada. 6. A informa¸cão sobre a resposta da a¸cão é devolvida ao Arduino, e este a transfere para o

servidor CoAP.

7. O servidor CoAP devolve a resposta sobre a a¸cão executada ao servidor da aplica¸cão. 8. O servidor da aplica¸cão captura a resposta e manda a informa¸cão para o Web Service. 9. O Web Service, assim que recebe a resposta do servidor, a transforma em JSON e envia

para o cliente que realizou a requisi¸c˜ao inicialmente. 6.3.1 Servidor CoAP

O sistema faz a utiliza¸cão de uma das implementa¸cões do protocolo CoAP conhecida como Microcoap, que se comparada à implementa¸cão original, fornece apenas as fun¸cões mais básicas do protocolo para fim de testes. Tal implementa¸cão interage diretamente com o shield ethernet utilizado no circuito f´ısico, fazendo-o se conectar a rede e fornecendo o endere¸co, cujo qual o web service utiliza para enviar a requisi¸cão. O servidor é responsável por receber e

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enviar os dados através de requisi¸cões GET e PUT, sendo a requisi¸cão GET para recuperar os dados sobre a lâmpada com o fim de exibir se ela está acesa ou não, e a requisi¸cão PUT para enviar dados com o objetivo de acender ou desligar a lâmpada.

6.3.2 Endpoints CoAP e Arduino

A aplica¸cão executada pelo Arduino foi constru´ıda seguindo os exemplos colocados pelo código do servidor CoAP, utilizando a linguagem C, linguagem de programa¸cão estruturada e de uso geral, que pode ser escrita a partir de qualquer editor de texto, porém, é prefer´ıvel que o editor seja voltado à programa¸cão, garantindo assim que o código seja bem escrito.

Utilizando as defini¸cões do CoAP, o código da aplica¸cão foi escrito e colocado na defini¸cão dos endpoints que o servidor utiliza para definir o que é executado, sendo que, assim que uma requisi¸cão do tipo GET chega ao servidor, ele deve redirecioná-la para o endpoint GET do código, tal qual é responsável por retornar a resposta informando se a requisi¸cão foi corretamente processada, bem como o que foi solicitado, nesse caso, a informa¸cão sobre a lâmpada. E se em algum momento o servidor receber uma requisi¸cão do tipo PUT, a mesma precisa ser redirecionada ao endpoint correspondente, cujo qual contem o algoritmo que é responsável por enviar um sinal ao relé do circuito.

O algoritmo primeiramente faz o mapeamento do relé à sua respectiva porta conectada no Arduino, para em seguida prosseguir com as instru¸cões. Após mapeada a porta no código, para o caso da requisi¸cão GET, o próximo passo do algoritmo é fazer com que a aplica¸cão busque o estado atual do relé. E para requisi¸cões PUT, o algoritmo deve enviar um sinal digital (seja 0 ou 1), para a porta definida anteriormente, fazendo com que o relé seja ativado ou desativado.

O código da aplica¸cão encontra-se dispon´ıvel publicamente no Github do autor, no repositório nomeado arduino-microcoap-light.

6.3.3 Web Service

O Web Service é constitu´ıdo de uma API REST desenvolvida utilizando Ruby On Rails. O processo de desenvolvimento parte do mesmo que uma aplica¸cão tradicional em Rails, foi necessário criar a aplica¸cão por linha de comando. Após a execu¸cão do comando foi preciso definir um banco de dados e configurar a conexão. Feita a configura¸cão do banco de dados, o próximo passo era criar o model (modelo), que nesse caso optou-se por ser chamado de Lamp, fazendo referencia à lâmpada. Foi preciso também criar um controller (controlador) para lâmpada, seguindo o padrão MVC. Dentro do controlador, encontram-se os endpoints do Web Service, sendo os principais, GET e PUT, que se comunicam com o servidor CoAP do Arduino. Após isso, foi preciso definir as rotas no arquivo routes.rb. As rotas são responsáveis por identificar e direcionar uma requisi¸cão do cliente para a a¸cão correta no controlador.

Ap´os a requisi¸c˜ao ser enviada e processada pelo servidor CoAP no Arduino, o Web Service deve receber uma resposta informando se o processamento ocorreu corretamente, e

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ao receber tal informa¸cão, deve retornar ao cliente uma mensagem do tipo JSON, contendo informa¸cões como por exemplo, o identificador da lâmpada, e seu status.

Apesar de estar sendo utilizado o padrão MVC internamente no Web Service, como a aplica¸cão é no formato de API, não existe a necessidade de uma camada de visão, ou seja, a interface de usuário. Vale ressaltar que, como o Web Service retorna informa¸cões em JSON, essas informa¸cões poderiam futuramente ser utilizadas para compor uma tela para o usuário final, fazendo uso de tecnologias de desenvolvimento front end.

Assim como o código do servidor e seus endpoints, o código do Web Service encontra-se também dispon´ıvel publicamente no Github do autor, no repositório chamado smart-light-coap-api.

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7 AN´ALISE E DISCUSS˜AO DOS RESULTADOS

Nesse cap´ıtulo, serão apresentados todos os resultados obtidos juntamente com suas análises. Após a apresenta¸cão dos mesmos, serão expostos também os problemas e dificuldades encontrados durante o desenvolvimento da aplica¸cão, bem como poss´ıveis solu¸cões.

Os resultados serão organizados em três se¸cões, a primeira delas abordará uma solu¸cão baseada no próprio firmware do Arduino, na segunda serão apresentados os testes realizados utilizando o Web Service baseado em CoAP previamente desenvolvido, e na terceira, a solu¸cão completa utilizando o Web Service para realizar a comunica¸cão com o servidor CoAP inicializado no Arduino.

7.1 CoAP ARDUINO

Ao prosseguir com o desenvolvimento da solu¸cão, viu-se necessário certificar-se de que o protocolo CoAP realmente podia ser executado no Arduino, eliminando completamente qualquer dúvida de que o hardware poderia ser fator limitante no desenvolvimento.

Para isso, após algumas buscas, foi encontrada uma implementa¸cão reduzida do protocolo CoAP chamada microcoap. Tal implementa¸cão encontra-se dispon´ıvel no repositório https://github.com/1248/microcoap do Github. A implementa¸cão é escrita em linguagem C e pode ser compilada e carregada facilmente para o firmware do Arduino. Na figura 19 pode-se ver a estrutura da solu¸cão microcoap.

Figura 19 – Estrutura da implementa¸c˜ao microcoap

O principal arquivo de código a ser trabalho é o endpoints.c. Como mencionado anteriormente, tal arquivo é responsável por definir quais serão as respostas e o que o servidor

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Cap´ıtulo 7. AN ´ALISE E DISCUSS ˜AO DOS RESULTADOS 33

deve executar ao receber uma requisi¸c˜ao.

O primeiro passo foi mapear a porta em que se encontra o relé no circuito anteriormente constru´ıdo e definir um estado inicial para o relé como 0, ou seja, não acionado. Após, era necessário definir a lógica na fun¸cão handle put light(), que trata as requisi¸cões vindas pelo método PUT. Para isso, desenvolveu-se uma lógica simples com condicionais if/else apenas para verificar em qual estado o relé se encontrava, caso estivesse com o estado 0, ou seja, não acionado, e fosse enviado o sinal 1 pela requisi¸cão PUT, o estado era alterado para acionado (1) e um sinal era disparado ao Arduino, utilizando a fun¸cão digitalWrite(), passando por parâmetros a porta em qual o relé encontra-se e a constante LOW, mapeada para acender a lâmpada, e fazendo o contrario caso o relé se encontrasse no estado acionado e fosse enviado o sinal 0 pela requisi¸cão PUT. Feito as devidas altera¸cões, o código foi compilado e carregado no Arduino através da IDE para que testes pudessem ser realizados.

O primeiro dos testes foi verificar se o endere¸co de IP gerado pela implementa¸cão era acess´ıvel. Para isso, era necessário enviar um ping ao endere¸co, que nesse caso era 192.168.0.23. Após enviar o sinal, consegue-se verificar que o servidor é alcan¸cável, resultado que pode ser verificado na figura 20.

Figura 20 – Servidor alcan¸cado pelo comando ping

Após verificado que o servidor poderia ser alcan¸cado, o próximo passo era testar os endpoints definidos no servidor CoAP. Para isso foi utilizado um cliente CoAP de linha de comando, juntamente com a ferramenta Wireshark, para capturar as mensagens que trafegavam na rede, a fim de verificar se as requisi¸cões e respostas estavam chegando aos endere¸cos corretos.

O primeiro endpoint a ser testado foi o endpoint GET, com o intuito de retribuir informa¸cões sobre o estado do relé. O teste deu-se por enviar uma requisi¸cão GET ao servidor CoAP e verificar se tal requisi¸cão era capturada pelo Wireshark. Abaixo, na figura 21 , pode-se ver o comando para a realiza¸cão da requisi¸cão, nota-se a semelhan¸ca com uma URI do protocolo HTTP.

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Figura 21 – Comando para a execu¸c˜ao de uma requisi¸c˜ao GET para o servidor CoAP

Após a execu¸cão do comando, abaixo, na figura 22, pode-se notar que o Wireshark conseguiu capturar as mensagens CoAP, tanto a requisi¸cão indo do IP 192.168.0.13, que no momento representava o notebook que enviou a requisi¸cão, para o IP 192.168.0.23, que representa o servidor CoAP, quanto a resposta, indo servidor CoAP para o notebook. Pode-se notar também que juntamente com a resposta, o servidor incluiu o código 2.05, que representa o retorno do conteúdo.

Figura 22 – Captura de mensagem GET CoAP pela ferramenta Wireshark

Por fim, era necessário testar se o servidor conseguia tratar de maneira esperada, as requisi¸cões do tipo PUT. E para isso, foram feitos testes similares ao do comando GET, porém, alterando para PUT e passando o estado do relé para ser alterado. Como inicialmente o relé estava desativado, foi enviado para o servidor uma requisi¸cão PUT para acionar o relé, ou seja, um sinal 1, cuja execu¸cão e resultado podem ser vistos abaixo, nas figuras 23e 24

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Figura 23 – Comando para execu¸c˜ao de uma requisi¸c˜ao PUT com o valor 1 para o servidor

Figura 24 – Captura de mensagem PUT CoAP com o valor 1 pela ferramenta Wireshark

disparar o sinal para o relé, e por fim, atingindo o objetivo final, ligando a lâmpada. Pode-se notar também, que o servidor retornou juntamente o código 2.04, que significa que um recurso foi alterado.

Como último teste com a requisi¸cão PUT, era necessário desativar o relé, enviando um sinal com o valor 0, alterando assim o estado da lâmpada para desligado. O comando e pacote capturado pela ferramenta Wireshark, podem ser vistos nas figuras 25e 26

Figura 25 – Comando para execu¸c˜ao de uma requisi¸c˜ao PUT com o valor 0 para o servidor