Sistemas de telecontagem para a monitorização do consumo de água

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Sistemas de telecontagem para a monitoriza¸

c˜

ao

do consumo de ´

agua

Por

Renato Jos´

e Moura Silva

Orientador: Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no Regulamento Geral dos Ciclos de Estudos Conducentes ao Grau de Mestre na UTAD

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Sistemas de telecontagem para a monitoriza¸

c˜

ao

do consumo de ´

agua

Por

Renato Jos´

e Moura Silva

Orientador: Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos

Disserta¸c˜ao submetida `a

UNIVERSIDADE DE TR ´AS-OS-MONTES E ALTO DOURO para obten¸c˜ao do grau de

MESTRE

em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores, de acordo com o disposto no Regulamento Geral dos Ciclos de Estudos Conducentes ao Grau de Mestre na UTAD

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Orienta¸c˜ao Cient´ıfica :

Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos

Professor Associado com Agrega¸c˜ao do Departamento de Engenharias Escola de Ciˆencias e Tecnologia

da Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro

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Sistemas de telecontagem para a monitoriza¸c˜

ao do consumo de ´

agua

Renato Jos´e Moura Silva

Submetido na Universidade de Tr´as-os-Montes e Alto Douro para o preenchimento dos requisitos parciais para obten¸c˜ao do grau de

Mestre/Doutor em Engenharia Electrot´ecnica e de Computadores

Resumo — Hoje em dia, a gestão de recursos como a água e a energia é um dos grandes problemas mundiais, deste forma é importante o controlo dos mesmo de forma precisa e em tempo útil. A utiliza¸cão de contadores inteligentes facilita a comunica¸cão entre o cliente e o distribuidor do servi¸co, oferecendo inúmeras vantagens e resolvendo variados problemas. A necessidade de realizar estimativas e acertos e os custos associados à contagem porta a porta podem ser resolvidos através da implementa¸cão de um sistema de telecontagem. Para além disso, o cliente pode saber em tempo real os seus consumos e ajustar o seu comportamento em fun¸cão dos mesmos. Por outro lado, a visão geral obtida sobre o parque de contadores facilita o combate a tentativas de fraude e fugas de água. Assim, este trabalho apresenta a conce¸cão e implementa¸cão de um sistema de telecontagem poss´ıvel de ser utilizado por empresas de distribui¸cão e clientes individuais para monitoriza¸cão de consumos. Para tal, o sistema tem por base comunica¸cão à distância recorrendo a tecnologias como o Wi-Fi e o LoRa através do uso de gateways responsáveis pela recolha dos dados dos sensores e o seu encaminhamento para uma plataforma que permite ao utilizador visualizar estat´ısticas e consumos em tempo real. De forma a reduzir os custos, o dispositivo foi desenvolvido utilizando uma abordagem modular ao n´ıvel da alimenta¸cão e comunica¸cão.

Durante toda a conce¸cão do projeto foi tida em conta a seguran¸ca do sistema e tomadas medidas de forma a mitigar da melhor maneira poss´ıvel os riscos associados. Além disso, foi criada uma API de forma a que o sistema pudesse ser interligado com outros softwares existentes como por exemplo programas de fatura¸cão.

São também apresentados os resultados da implementa¸cão das várias componentes do projeto assim como dados de um sensor em funcionamento.

Palavras Chave: IoT, telecontagem, ´agua, energia. vii

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Telemetering systems for water consumption monitoring

Renato Jos´e Moura Silva

Submitted to the University of Tr´as-os-Montes and Alto Douro in partial fulfillment of the requirements for the degree of

Master of Science-Philosophiae Doctor in Electrical Engineering and Computers

Abstract — Nowadays, water and energy resource management is amongst the world’s biggest problems. Controlling the consumption precisely and promptly becomes utterly important. The usage of intelligent metering devices facilitates the communication between the client and service distributor, offering several advantages and solving many issues. The need to estimate the client consumption and subse-quently perform settlements regarding the differences, as well as the cost of having one person checking door to door can be solved through the implementation of a telemetering system. Beyond, the client can be aware in real-time of his con-sumptions and adjust his behaviour accordingly. Furthermore, the global vision provided for the metering devices eases the response against fraud attempts and water leakages. Therefore, this dissertation presents the development of a teleme-tering system capable of being used either by distribuition companies or idividuals to monitor their consumptions.

The system is based on wireless communication, taking advantage of technologies like Wi-Fi and LoRa, using gateways to gather data from the sensors and relay it to a platform where users are abre to visualize satistics and real time consumptions. In order to reduce the device costs, it was developed with a modular approach regarfing power and communication.

During all the conception security was taken into account and state of the art solutions applied to mitigate all associated risks.

Besides, it was also created an API to allow the system to be connected with other software, for instance, payment gateways.

The result of the implementation of the different elements, along with the data collected, is also displayed.

Key Words: IoT, telemetering, water, energy ix

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Agradecimentos

A elabora¸cão deste trabalho não foi um esfor¸co solitário e, no momento da sua conclusão, há várias pessoas a quem devo agradecer. E minha conviçc˜´ ao que a sua execu¸cão não seria poss´ıvel sem o contributo dessas pessoas que, com os seus ensinamentos, experiências ou mesmo com uma simples palavra de incentivo, me ajudaram.

Em primeiro lugar quero agradecer ao Professor Doutor Raul Manuel Pereira Morais dos Santos que como professor foi o expoente máximo, abriu-me horizontes e ensinou-me principalensinou-mente a pensar, como orientador foi gratificante trabalhar com ele, pela extrema utilidade das suas recomenda¸cões e pela cordialidade com que sempre me recebeu. Estou grato por ambas e também pela liberdade de a¸cão que me permitiu que este trabalho contribu´ısse para o meu desenvolvimento pessoal.

Expresso também os meus agradecimentos ao Sr. Vereador José Manuel Moreira e à Engenheira Adelaide Machado responsável pelo servi¸co de águas da Câmara Municipal de Santa Marta de Penaguião pela amabilidade que tiveram em me facultar os elementos informativos respeitantes aos consumos de água do concelho. Aos colegas de Mestrado agrade¸co todo o companheirismo, amizade e o excelente ambiente que envolveu este curso ao longo de cinco anos.

Ao meu pai e à minha mãe, pela sólida forma¸cão dada até à minha juventude, que xi

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me proporcionou a continuidade nos estudos at´e `a chegada a este mestrado, a eles os meus eternos agradecimentos.

Obrigado a todos por permitirem que este trabalho de disserta¸c˜ao fosse uma realidade.

UTAD, Renato Silva

Vila Real, 24 de Julho de 2019

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´Indice geral

Resumo vii

Abstract ix

Agradecimentos xi

´_{Indice de tabelas} _xvii

´_{Indice de figuras} _xix

Acr´onimos e abreviaturas xxiii

1 Introdu¸c˜ao 1

1.1 Enquadramento . . . 2

1.2 Motiva¸c˜ao e objetivos . . . 3

1.3 Organiza¸c˜ao da disserta¸c˜ao. . . 5

2 Estado da Arte 7

2.1 Aguas, Efluentes e Res´ıduos de Braga´ . . . 10

2.2 Servi¸cos Municipalizados de ´Agua e Saneamento de Matosinhos . . . 10

2.3 Empresa Portuguesa das ´Aguas Livres . . . 11

2.4 An´alise . . . 11

3 Internet das Coisas 13

3.1 Conceitos e arquitetura . . . 13 xiii

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3.2 Gest˜ao de recursos . . . 16

3.2.1 Arquitetura centralizada . . . 18

3.2.2 Arquitetura distribu´ıda e P2P . . . 19

3.3 Gest˜ao e an´alise de dados . . . 20

3.3.1 Processamento em lote . . . 21

3.3.2 Processamento em tempo real . . . 22

3.4 Protocolos de comunica¸cão . . . 23 3.4.1 Camada Phy/MAC . . . 24 3.4.2 Camada de Rede . . . 24 3.4.3 Camada de Transporte . . . 25 3.4.4 Camada de Aplica¸cão. . . 25 3.5 Aplica¸cões . . . 25 3.6 Seguran¸ca . . . 27 3.6.1 Identifica¸cão . . . 27 3.6.2 Autentica¸cão e Autoriza¸cão . . . 29 3.6.3 Privacidade . . . 29 3.7 Dispositivos . . . 30 3.8 Problemas e desafios . . . 30

4 Proposta de uma arquitetura 33 4.1 Requisitos . . . 33

4.2 Arquitetura . . . 34

4.2.1 Cen´arios de rede . . . 35

4.3 Dispositivo. . . 36 4.3.1 Hardware . . . 38 4.3.2 Software . . . 45 4.4 Gateway . . . 54 4.5 Plataforma . . . 59 4.5.1 Base de Dados . . . 60 4.5.2 Broker MQTT. . . 61 4.5.3 P´agina Web . . . 63 4.5.4 Docker . . . 74 5 Implementa¸c˜ao e resultados 79 5.1 Dispositivo. . . 79 5.2 Gateway . . . 81 5.3 Plataforma . . . 81

6 Conclus˜ao e trabalho futuro 87 6.1 Conclus˜ao . . . 87

6.2 Trabalho futuro . . . 89 xiv

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Referˆencias bibliogr´aficas 91

A Balan¸co H´ıdrico 99

A.1 Concelho de Santa Marta de Penagui˜ao em 2018 . . . 99

(16)

(17)

´Indice de tabelas

3.1 Principais aplica¸c˜oes do IoT . . . 26

4.1 Configura¸c˜ao do dispositivo nos diferentes cen´arios poss´ıveis . . . 36

4.2 Parˆametros de configura¸c˜ao do dispositivo . . . 47

4.3 Sintaxe de configura¸c˜ao do dispositivo . . . 48

4.4 Significado do estado dos leds . . . 50

4.5 Exemplo de mensagem do protocolo MQTT . . . 62

4.6 Rotas de primeiro n´ıvel . . . 67

4.7 Rotas associadas ao cliente . . . 68

(18)

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´Indice de figuras

1.1 Balan¸co h´ıdrico do concelho de Santa Marta de Penagui˜ao em 2018 . 3

2.1 EDP Re:dy . . . 9

3.1 Arquitetura de uma plataforma IoT . . . 15

3.2 Arquitetura detalhada IoT em 5 camadas. . . 17

3.3 Exemplo de framework de descoberta centralizada . . . 19

3.4 Exemplo de framework de descoberta baseada em comunica¸cão P2P . 20 3.5 Organiza¸cão de um cenário de processamento em lote . . . 21

3.6 Organiza¸c˜ao de um cen´ario de processamento em tempo real . . . 22

3.7 Aqruitetura de comunica¸c˜ao de solu¸c˜ao IoT . . . 24

3.8 Funcionamento do servidor DNS . . . 27

3.9 Ataque de cache poisoning . . . 28

4.1 Arquitetura do sistema . . . 34

4.2 Diagrama de funcionamento do dispositivo . . . 37

4.3 Sensor de fluxo de ´agua YF-S201 . . . 38

4.4 Rela¸cão entre a frequência e o fluxo de água . . . 39

4.5 Sensor de corrente HW-0522 . . . 39 xix

(20)

4.6 Microchip RN2483 . . . 40

4.7 M´odulo RN2483. . . 40

4.8 Espressif ESP8266 . . . 41

4.9 Circuito de alimenta¸cão através do módulo AC-DC . . . 42

4.10 Conversor AC-DC 230V . . . 42

4.11 Circuito de alimenta¸cão através do módulo de bateria . . . 43

4.12 Circuito de controlo de energia. . . 43

4.13 Circuito de controlo de comunica¸c˜oes . . . 44

4.14 Circuito da placa principal do dispositivo . . . 45

4.15 Funcionamento simplificado de uma m´aquina de estados . . . 46

4.16 Divis˜ao das m´aquinas de estado por categoria . . . 46

4.17 M´aquina da estado das comunica¸c˜oes UART . . . 47

4.18 Estrutura do pacote UDP . . . 49

4.19 M´aquina de estado dos leds . . . 50

4.20 Funcionamento do input capture. . . 51

4.21 M´aquina da estado do sensor de fluxo . . . 51

4.22 Funcionamento simplificado de uma ADC . . . 52

4.23 M´aquina da estado do sensor de corrente . . . 53

4.24 Fun¸c˜ao do gateway na arquitetura do sistema. . . 55

4.25 Dinˆamica do envio de dados em tempo real . . . 56

4.26 Diagrama do gateway. . . 57

4.27 M´odulo SIM808 . . . 58

4.28 Organiza¸c˜ao da plataforma. . . 59

4.29 Diagrama ER da base de dados. . . 60

4.30 Defini¸c˜ao do t´opico de uma mensagem MQTT . . . 62

4.31 Modelo arquitetural MVC . . . 64

4.32 Modelo de funcionamento de middleware por camadas. . . 65

4.33 Arquitetura dos middlewares da aplica¸c˜ao . . . 66

4.34 Divis˜ao de rotas por n´ıveis . . . 66

4.35 ´Arvore das rotas de administrador . . . 67

4.36 Funcionamento da assinatura digital de dados . . . 69 xx

(21)

4.37 Princ´ıpio de funcionamento do JWT . . . 71 4.38 Funcionamento do Docker . . . 74 5.1 PCB do módulo de alimenta¸cão . . . 80 5.2 PCB do módulo de alimenta¸cão . . . 80 5.3 PCB do módulo de bateria . . . 80 5.4 PCB do dispositivo . . . 81 5.5 Gateway . . . 81

5.6 P´agina inicial da plataforma . . . 82

5.7 P´agina de registo . . . 82

5.8 P´agina de login . . . 83

5.9 Dashboard do administrador . . . 83

5.10 P´agina de listagem de utilizadores . . . 83

5.11 P´agina de listagem de sensores. . . 84

5.12 P´agina de inser¸c˜ao de novo sensor . . . 84

5.13 P´agina inicial da plataforma . . . 85

5.14 P´agina com o mapa de todos os dispositivos registados . . . 86

5.15 Ficheiro CSV com os dados recolhidos por um sensor . . . 86

A.1 Balan¸co h´ıdrico de 2018 . . . 99

(22)

(23)

Acr´

onimos e abreviaturas

Lista de acr´

onimos

Sigla Expans˜ao

3G Terceira gera¸c˜ao

6LoWPAN IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks AC Alternating current (corrente alternada)

ACK Acknowledgement (confirma¸c˜ao)

ADC Analog-to-digital converter (Conversor anal´ogico-digital) AGERE Aguas, Efluentes e Res´ıduos de Braga´

API Application programming interface (Interface de programa¸c˜ao de aplica¸c˜oes)

AT Alta tens˜ao BT Baixa tens˜ao

CMOS Complementary Metal-Oxide-Semiconductor CoAP Constrained Application Protocol

CSV Comma-separated values

DC Direct Current (corrente cont´ınua) DNS Domain Name System

(24)

Sigla Expans˜ao

DNSSEC Domain Name System Security Extensions DNSSEC Domain Name System

EDP Energias de Portugal

EEPROM Electrically erasable programmable read-only memory EPAL Empresa Portuguesa das ´Aguas Livres

GPRS General Packet Radio Services

GSM Global System for Mobile Communications HMAC Hash message authentication code

HTTP HyperText Transfer Protocol HTTPS Hypertext Transfer Protocol Secure IoT Internet of Things (Internet das Coisas) IP Internet Protocol

JSON JavaScript Object Notation JWT JSON Web Tokens

LED Light-emitting diode (Diodo emissor de luz) LoRa Long Range

LTE Long Term Evolution MAC Medium access control

MOSFET Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor MQTT Message Queuing Telemetry Transport

MT M´edia tens˜ao

MVC Model-View-Controller NAT Network address translation P2P Peer-to-Peer

PHP Hypertext Preprocessor PIN subscriber identity module PPP Point-to-Point Protocol PCB Printed cirtcuit board

QoS Quality of Service (Qualidade de Servi¸co) REST Representational State Transfer

RFID Radio-Frequency Identification (Identifica¸c˜ao por r´ adio-frequˆencia)

(25)

Sigla Expans˜ao

RPL IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks RSA Rivest–Shamir–Adleman

SMASM Servi¸cos Municipalizados de Agua´ e Saneamento de Matosinhos

SSID Service Set Identifier SSL Secure Sockets Layer

TCP Transmission Control Protocol TTL Time to live (tempo de vida)

UART Universal asynchronous receiver-transmitter UDP User Datagram Protocol

UI User Interface

URL Uniform Resource Locator UUID Universally unique identifier Wi-Fi IEEE 802.11x

XMPP Extensible Messaging and Presence Protocol

(26)

(27)

1

Introdu¸c˜

ao

Atualmente, o mundo está assente numa enorme quantidade de informa¸cão que circula ininterruptamente. Parte dessa informa¸cão são conteúdos audiovisuais, no entanto, existe um volume cada vez maior de dados e aplica¸cões de suporte dedicadas exclusivamente a ambientes de monitoriza¸cão como habita¸cões, carros e até pessoas. Com a chegada da Internet das Coisas (IoT), estas trocas de informa¸cão tornar-se-ão mais predominantes em todas as áreas do dia a dia e em todos os nossos dispositivos (Horan,2002).

O IoT é um conceito que prevê a conectividade entre aspetos do dia a dia utilizando o mais diverso tipo de sensores, e métodos de comunica¸cão que trabalham cola-borativamente para obter e transmitir informa¸cão importante da sua vizinhan¸ca para uma plataforma que permita ao utilizador ter acesso (Arshad et al., 2017). Por outras palavras, entende-se por IoT o ato de conectar as ”coisas”e a Internet, e utilizar essa liga¸cão para fornecer uma monitoriza¸cão remota útil ou o controlo dessas ”coisas” (Chase, 2013). O aparecimento e desenvolvimento de tecnologias de IoT veio possibilitar avan¸cos em inúmeras áreas. Uma delas é as contagens de luz e ´

agua, que ainda hoje s˜ao realizadas, em grande parte dos lugares, de forma manual e sem que o cliente tenha no¸c˜ao dos consumos em tempo real. Da necessidade de colmatar esta lacuna nasce a telecontagem.

(28)

2 CAPÍTULO 1. INTRODUÇ ÃO

A telecontagem é a forma digital de contagem de consumos baseado em sensores interligados e numa infraestrutura de apoio que permite a comunica¸cão entre os sensores, o operador e o cliente (EDP, b). Embora grande parte dos sistemas de telecontagem atuais apresentem maior ênfase na parte do operador, essas mesmas técnicas estão hoje em dia a chegar a diversas áreas facultando ao utilizador variados dados e estat´ısticas sobre o meio que o envolve.

1.1 Enquadramento

A água, assim como a energia elétrica, são um bem precioso e necessário para a atividade humana, tornando-se assim bens que necessitam e são alvo de elevados investimentos. A introdu¸cão de sistemas de telecontagem que permitam a monitori-za¸cão em tempo real dos consumos apresenta mudan¸cas significativas no paradigma atual, mais precisamente na redu¸cão de custos e controlo de consumo, tanto da parte do distribuidor como do consumidor. Os contadores atuais não permitem ter uma visão exata que possibilite tra¸car uma rela¸cão precisa entre a água debitada a partir das centrais de distribui¸cão e a efetivamente consumida. Qualquer fuga que haja na rede não é detetada pelo distribuidor, e estas só são detetáveis aquando de roturas de pisos ou através de alertas de populares, muitas vezes provocando danos extremamente avultados. Esta situa¸cão pode ser facilmente resolvida pela implementa¸cão de um sistema de telecontagem, quer nas habita¸cões, quer nos ramais de distribui¸cão, sendo então poss´ıvel gerar alertas no caso de se registar uma diferen¸ca entre o caudal consumido e o distribu´ıdo ou entre ramais consecutivos.

Utilizando como exemplo a distribui¸cão de água pública no concelho de Santa Marta de Penaguião é poss´ıvel ter a perce¸cão das significativas perdas existentes no sistema. Como é poss´ıvel verificar pelo gráfico da Figura 1.1 fornecido pela entidade competente, as perdas de água chegam aos 68%. Como de momento não ´

e poss´ıvel verificar os consumos em tempo real torna-se também imposs´ıvel detetar, em tempo útil, os locais de fuga de água. O mesmo não se verifica na energia, pois, as perdas são significativamente menores e fáceis de detetar. Para além disso, existe

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1.2. MOTIVAC¸ ˜AO E OBJETIVOS 3

´

Agua entrada no sistema (100 %)

Perdas de ´agua (68 %) Autorizado (32 %) Perdas reais (65 %) Faturado (28 %)

Perdas aparentes (3 %)

N˜ao faturado (4 %)

Figura 1.1 – Balan¸co h´ıdrico do concelho de Santa Marta de Penaguião em 2018. Fonte: Câmara Municipal de Santa Marta de Penaguião.

a necessidade de o consumidor controlar os seus gastos em tempo real.

1.2 Motiva¸

c˜

ao e objetivos

A chegada do IoT veio alterar a forma como olhamos para praticamente tudo o que nos rodeia. Passamos a estar interligados aos equipamentos e sempre a par do seu estado, caminhando não só para um controlo total e em qualquer lugar, mas também para uma maior eficiência. A implementa¸cão de um sistema de telecontagem para ´

agua e eletricidade faculta ao cliente e ao distribuidor um melhor controlo sobre os consumos. Embora seja já poss´ıvel encontrar alguns sistemas de telecontagem para água, estes apresentam algumas limita¸cões como será explicado no Cap´ıtulo 2. Por outro lado, a distribui¸cão de eletricidade encontra-se mais avan¸cada neste campo muito devido à maior facilidade de obten¸cão de energia para alimentar os equipamentos.

Com a telecontagem deixa de haver a necessidade de realizar estimativas e posterior-mente acertos nas contagens uma vez que estas podem ser realizadas num pequeno intervalo de tempo, estando sempre o comercializador e o cliente a par dos consumos. Este fator é importante para o aumento da qualidade de servi¸co, pois atualmente e utilizando os equipamentos clássicos, o cliente não conhece os seus gastos até receber a fatura, não podendo assim controlar os seus consumos. A telecontagem visa também o corte de custos, quer no pessoal que efetua as contagens, quer nas

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suas desloca¸cões e permite automatizar o processo de fatura¸cão. Por outro lado, a permanente informa¸cão recebida sobre o estado do sistema permite o combate a tentativas de fraude ou a dete¸cão de fugas.

Com base nestes aspetos, este trabalho visa o desenvolvimento de uma arquitetura para um sistema de telecontagem. A primeira parte pretende informar sobre as mais variadas solu¸cões existentes atualmente ao n´ıvel de contagem, e tecnologias de suporte, com exemplos de sistemas em funcionamento. Esta investiga¸cão servirá de base teórica ao desenvolvimento do sistema. Além disso, pretende-se também dar a conhecer de que forma o IoT pode alterar o paradigma da telecontagem, isto é, como podem ser utilizadas tecnologias de IoT de forma a tornar os servi¸cos de água e energia interligado com o utilizador e distribuidor.

O desenvolvimento da arquitetura será dividido em três partes principais, o disposi-tivo para efetuar a contagem, um gateway para recolha de dados e uma plataforma para apresenta¸cão dos dados recolhidos.

Para efetuar a contagem pretende-se assim desenvolver um dispositivo ´unico que possa ser utilizado para realizar tanto as contagens de ´agua como de eletricidade. Tal dispositivo deve ter em mente os seguintes aspetos:

• Ser um sistema modular. O mesmo dispositivo pode ser acoplado de diferentes sensores dependendo se pretende fazer a contagem de água ou eletricidade; • No caso de um contador para água, a alimenta¸cão deverá ser feita através de

uma bateria que ´e carregada com um hidrogerador. Caso seja para efetuar contagens de eletricidade este ser´a alimentado por um transformador ligado ao quadro;

• Efetuar a comunica¸c˜ao utilizando a tecnologia LoRa ou Wi-fi sobre diversas configura¸c˜oes de rede, espec´ıficas para casos particulares.

O gateway de recolha de dados ser´a apenas utilizado em situa¸c˜oes espec´ıficas. Este deve ter a capacidade de:

(31)

1.3. ORGANIZAÇ ÃO DA DISSERTAÇ ÃO 5

• Recolher dados de v´arios sensores;

• Encaminhar esses dados para serem guardados.

Por fim, como ferramenta de visualiza¸cão e agrega¸cão de dados pretende-se desen-volver uma plataforma que permita ao utilizador ver as suas contagens. Os objetivos para esta plataforma são os seguintes:

• Possibilidade de visualizar os consumos em tempo real; • Apresentar um hist´orico de contagens;

• Apresentar a evolu¸c˜ao temporal dos consumos;

• Possibilidade de atribuir v´arios sensores a um s´o cliente.

Estas três partes trabalharam em simultâneo e encontrar-se-ão interligadas para o funcionamento do sistema.

1.3 Organiza¸

c˜

ao da disserta¸

c˜

ao

Este documento foi divido em 6 cap´ıtulos de forma a apresentar o trabalho desen-volvido durante a disserta¸c˜ao, come¸cando com o atual cap´ıtulo introdut´orio. Neste, ´

e feita uma pequena apresenta¸cão dos conceitos abordados, assim como, é feito o enquadramento do tema. Para além disso, são também abordadas as motiva¸cões e objetivos.

O segundo cap´ıtulo diz respeito ao estado da arte e aqui são expostas as mais variadas tecnologias desenvolvidas no que diz respeito a telecontagens, Internet of Things, redes sensores, métodos de aquisi¸cão de dados, métodos de comunica¸cão, entre outros. É também feita uma discussão relativa a problemas e vantagens de cada sistema apresentado.

O terceiro cap´ıtulo explica de forma mais aprofundada o conceito de IoT, debru-¸cando-se sobre a evolu¸cão da sua defini¸cão, as várias arquiteturas, protocolos de

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comunica¸cão, aplica¸cões, mas também, a cada vez mais importante, seguran¸ca e privacidade.

O quarto cap´ıtulo trata da apresenta¸cão de uma proposta para uma arquitetura de um sistema de telecontagem, iniciando com uma listagem dos requisitos do sistema. É explicado o seu funcionamento global através de um diagrama funcional que facilitará a compreensão e interliga¸cão das diversas tecnologias presentes. É também analisado o hardware e o software desenvolvidos, quer para a contagem propriamente dita, quer para a plataforma web que permite ao utilizador consultar os seus consumos.

O quinto cap´ıtulo cont´em a implementa¸c˜ao e os resultados obtidos.

Este documento termina com o sexto cap´ıtulo onde s˜ao apresentadas as conclus˜oes do projeto e o trabalho futuro.

(33)

2

Estado da Arte

O homem, na sua vida diária, não vive sem a utiliza¸cão de água potável, seja para satisfazer as suas necessidades mais básicas como confecionar alimentos ou simplesmente tomar banhos. A água potável tornou-se um bem que é preciso gerir com elevado rigor. O crescimento de grandes aglomerados populacionais, antigamente servidos por fontanários públicos, obrigou os diversos pa´ıses a desenvol-ver canais, cada vez de maior dimensão, para satisfazer as necessidades de água da popula¸cão. Este desenvolvimento não se efetivou só através do transporte da água, levou também à necessidade de explorar a capta¸cão, quer de rio, quer de furo, e ao seu tratamento. Se olharmos à popula¸cão mundial, são milhares de quilómetros de rede de distribui¸cão e são milhões de metros cúbicos de água consumidos diariamente. Os enormes gastos na manuten¸cão dos meios de obten¸cão e distribui¸cão, e o consumo muitas vezes desmesurado deste bem cada vez mais precioso, levou os governos à obriga¸cão da aplica¸cão de contadores individuais, na utiliza¸cão de uso doméstico, comercial ou industrial. Esta obriga¸cão de contadores serviu não só para pagar os gastos efetuados com a distribui¸cão, mas também incutir no cliente a necessidade de poupar e controlar o consumo da água. E, no fundo, a regra do utilizador´ pagador, quem mais gasta mais paga e a um pre¸co mais elevado. Os contadores da água tiveram o seu percurso ao longo da história. Um contador de água é um

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8 CAP´ITULO 2. ESTADO DA ARTE

instrumento concebido para medir e registar o consumo de água gasta permitindo uma utiliza¸cão mais racional por parte do consumidor evitando desperd´ıcios e uma melhor preserva¸cão de um bem essencial.

A evolu¸cão no consumo diário e a massifica¸cão de contadores levou à necessidade de introduzir novos meios de contagem, mais simples e mais eficientes. As empresas distribuidoras de água têm procurado desenvolver esses meios e é assim que surge o investimento em contadores inteligentes com leituras em tempo real e com uma enorme economia de esfor¸cos.

A telecontagem come¸cou a ser implementada muito mais cedo na rede de distribui¸cão elétrica quando comparada com a água. Esta razão deve-se principalmente, no caso da água, à dificuldade de alimenta¸cão e comunica¸cão, o que não acontece na energia. Este capitulo apresenta uma breve descri¸cão de implementa¸cões de telecontagem realizadas a n´ıvel nacional e internacional.

Em Espanha foi implementado, em 2007, um sistema de telecontagem baseado na tecnologia Zigbee (Struklec and Bilasˇ , 2007), onde eram utilizados gateways que recolhiam os dados de diversos contadores e os encaminhavam para um sistema de fatura¸cão através de GSM. Devido às limita¸cões de energia, os dispositivos apenas tinham um alcance de 220 m.

Mais recentemente tem vindo a ser utilizada a tecnologia LoRa e LoRaWAN na China (Steve Rogerson), onde se prevˆe que at´e ao fim de 2019 sejam instalados 80 gateways e milhares de contadores em 72 distritos residenciais.

Segundo Dias (2008), em Portugal Continental todas as instala¸cão de clientes de média tensão (MT), alta tensão (AT) muito alta tensão (MAT) se encontram in-seridas no sistema de telecontagem no seguimento do programa de substitui¸cão de equipamentos de medida promovido a partir de 2005. Atualmente, todos os circuitos de ilumina¸cão pública, cerca de 60 000, se encontram também neste programa. No caso de clientes residenciais a Energias de Portugal (EDP) instalou até Maio de 2019 mais de 2 milhões de Energy Box e espera que em 2025 a totalidade dos clientes

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9

possa ser abrangida por contadores inteligentes (EDP, a).

Ao n´ıvel do controlo dos consumos privados a EDP lan¸cou tamb´em em 2017 o Re:dy (Figura 2.1).

Figura 2.1 – EDP Re:dy. Retirado deEDP Comercial.

Este ´e um servi¸co que permite aos consumidores residenciais gerirem, de uma forma integrada, toda a energia de sua casa em tempo real a partir do seu computador ou smartphone.

Tem como objetivos a redu¸cão de custos e otimiza¸cão da utiliza¸cão de uma forma simples e prática (EDP Inova¸cão). Esta aplica¸cão gera relatórios que incluem dados de consumo diário, por per´ıodo tarifário, por equipamento e análise da potência contratada. A recolha dos dados de consumo do contador geral e equipamentos individuais é realizada através da instala¸cão de uma box. Esta box comunica com os contadores inteligentes e com as tomadas Re:dy plug, que permitem medir os o consumo dos equipamentos a elas ligados como também ligar e desligar os mesmos. Por outro lado, no que diz respeita contadores de água inteligentes vê-se uma menor implementa¸cão quando comparado com o ramo da energia.

Em 2008,Resende(2008) e em 2011 Malheiro(2011) fizeram uma revis˜ao dos v´arios projetos e sistemas de telecontagem em uso em Portugal. De estes, destacam-se os seguintes.

(36)

2.1 Aguas, Efluentes e Res´ıduos de Braga

´

Em 2006 a Águas, Efluentes e Res´ıduos de Braga (AGERE) deu inicio a um projeto para a instala¸cão de dispositivos de telecontagem em clientes residenciais, sendo que 15 000 dos 77 000 clientes já tem a telecontagem instalada. SegundoResende(2008), ´

e um sistema que utiliza radiofrequência para transmitir a leitura dos contadores de 8 em 8 segundos tendo cerca de 300 m de alcance. A leitura é realizada por uma viatura que percorre um trajeto predefinido a uma velocidade reduzida e capta os dados para um coletor, um datalogger. Este sistema foi desenvolvido pela Enermeter e faz parte um sistema multi-utilitie, com capacidade para efetuar leituras de água, eletricidade e gás.

Após as leitura, todos os dados são transferidos para uma base de dados e posteri-ormente para o sistema de fatura¸cão.

A Enermeter encontra-se também a desenvolver um sistema de gestão de anomalias e dete¸cão de furtos do radiotransmissor, intrusões, entre outros.

2.2 Servi¸

cos Municipalizados de ´

Agua e

Sanea-mento de Matosinhos

Nos Servi¸cos Municipalizados de Água e Saneamento de Matosinhos (SMASM) a primeira implementa¸cão de um sistema de telecontagem ocorreu no ano de 1998, sendo o primeiro a n´ıvel nacional. Numa primeira fase, este equipamento foi instalado em edif´ıcios com o m´ınimo de 18 fra¸cões, tendo passado a ser instalado em todas as constru¸cões à exce¸cão de moradias únicas Resende(2008).

Os SMAS utilizam equipamentos de três empresas distintas pelo que usam três arquiteturas semelhantes mas diferentes. Todas estão assentes no protocolo Mbus. Cada contador tem a si acoplado um dispositivo que converte impulsos mecânicos em elétricos o que permite que os consumos sejam lidos por um concentrador a eles

(37)

2.3. EMPRESA PORTUGUESA DAS ´AGUAS LIVRES 11

ligado. Este concentrador encontra-se por sua vez ligado a um modem que envia as contagens de dois em dois meses.

Foram também salientados alguns problemas que afetam estes equipamentos como a discrepância entre valores medidos e enviados, dificuldade de capta¸cão de rede e avarias.

2.3 Empresa Portuguesa das ´

Aguas Livres

Segundo Medeiros et al. (2007), em 2001 a Empresa Portuguesa das Águas Livres (EPAL) iniciou a implementa¸cão da telecontagem com cerca de 400 dispositivos. Este era um sistema que efetuava leituras a cada segundo e acabou por fracassar devido a falhas e fraca prepara¸cão dos equipamentos para aguentarem a grande quantidade de dados. No entanto, ainda no mesmo ano lan¸caram dois novos projetos em telecontagem para pequenos consumidores e foram instalados à volta de 250 contadores baseados, tal como nos SMAS de Matosinhos, no protocolo MBus e utilizando concentradores e modems.

Foram também realizadas experiências utilizando radiofrequência em que as leituras eram enviadas para um concentrador por RF.

O sistema utilizado pela EPAL permitia também a instala¸cão de uma eletroválvula com o objetivo de proceder a cortes no caso de falta de pagamento ou fugas.

2.4 An´

alise

Da revisão dos sistemas de telecontagem as ser utilizados a n´ıvel nacional tanto para água como energia é poss´ıvel encontrar alguns pontos em que estes podem ser melhorados.

Apesar da grande semelhan¸ca entre os v´arios sistemas existem diferen¸cas fundamen-tais ao n´ıvel da arquitetura e protocolos que os impedem de funcionar em conjunto

(38)

e criar uma rede unificada.

Nenhum dos sistemas apresenta a capacidade de poder informar o cliente e o comerci-alizador em tempo real dos consumos sendo que os equipamentos foram desenvolvidos de forma a simular uma contagem realizada por um trabalhador visto que em alguns casos estas s´o acontecem a cada dois meses.

(39)

3

Internet das Coisas

O IoT é um termo recente e, ao mesmo tempo, antigo. Foi inicialmente mencionado por Kevin Ashton, em 1999, numa apresenta¸cão onde ligou a ideia de identifica¸cão por rádio-frequência (RFID) à então recente Internet (Bude and Kervefors Ber-gstrand, 2015). Desde então o uso do termo disparou. De acordo com a Cisco, em 2003 existiam aproximadamente 6,3 biliões de pessoas no planeta e 500 milhões de dispositivos ligados à Internet. O crescimento explosivo de smartphones e outros dispositivos, elevou este número para 12,5 biliões, tornando o número de dispositivos por pessoa superior a um (Evans, 2011).

Por esta razão é necessário definir uma estrutura e plano de desenvolvimento para a rede de forma que esta se possa crescer.

3.1 Conceitos e arquitetura

O conceito do IoT assenta primordialmente em sensores, redes de comunica¸cão e processamento de eventos. Estes três blocos base têm ao longo dos anos vindo a ser utilizados de forma individual, no entanto, o IoT tenta criar uma rede unificada de smart objects controlada, se necessário, por humanos que devem ser capazes de

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14 CAP´ITULO 3. INTERNET DAS COISAS

forma ub´ıqua comunicar com os dispositivos e estes entre si. No que diz respeito a sistemas distribu´ıdos, a interconectividade entre entidades é um requerimento cr´ıtico, e o IoT é um bom exemplo disso (Khodadadi et al.,2017). Uma arquitetura hol´ıstica para o IoT deve garantir a escalabilidade, flexibilidade, interoperabilidade e seguran¸ca. A escalabilidade ganha um papel principal no desenvolvimento destas redes visto o número de equipamentos crescer de forma exponencial. O termo escalável significa gerir a conectividade entre uma enorme quantidade de disposi-tivos sem que esta cause uma degrada¸cão do desempenho da rede. No paradigma do IoT, a interliga¸cão entre dispositivos é fundamental e é necessário os equipamentos de diferentes fabricantes poderem comunicar entre si pelo que devem ser adotados standards para que estes sejam flex´ıveis na sua comunica¸cão de forma a garantir a interoperabilidade em cenários heterogéneos.

Aplica¸c˜oes diferentes apresentam diferentes necessidades ao n´ıvel arquitetural, isto ´

e, dependendo do tipo de dados que necessitam de transmitir e do seu caráter de urgência. A t´ıtulo de exemplo, uma aplica¸cão de monitoriza¸cão com um baixo data rate têm diferentes requisitos de uma aplica¸cão que envolva dados em tempo real. Desta forma, a arquitetura deve ser inteligente ao ponto de gerir liga¸cões de acordo com as suas necessidades (Yaqoob et al., 2017).

O IoT não é composto apenas de uma simples tecnologia, mas sim de uma combina¸cão de várias que trabalham em conjunto. Sensores e atuadores são dispositivos que têm como objetivo realizar a intera¸cão com o mundo f´ısico, na forma sensorial ou em resposta a um est´ımulo, provocando uma mudan¸ca no ambiente, como, por exemplo, a varia¸cão da temperatura. Os dados recolhidos devem ser armazenados e processados de forma inteligente com o objetivo de inferir informa¸cão útil.

Não existe, no que diz respeito a uma arquitetura para o IoT, um consenso universal. Pelo contrário, várias arquiteturas têm sido propostas ao longo dos anos por dife-rentes investigadores. A arquitetura mais básica é representada por três camadas como mostra a Figura 3.1 A e foi apresentada nos primórdios da investiga¸cão nesta ´

(41)

3.1. CONCEITOS E ARQUITETURA 15

• Camada de Perce¸cão, é a camada f´ısica que possui os sensores para recolha de dados sobre o ambiente envolvente. Pode recolher parâmetros de estado ou sobre outros smart objects nas redondezas.

• Camada de Rede, é responsável pela liga¸cão entre smart objects, dispositivos de rede e servidores.

• Camada de Aplica¸cão, está encarregue de fornecer servi¸cos ao utilizador. Define inúmeras aplica¸cões nas quais o IoT pode ser aplicado, por exemplo, casas inteligentes.

A arquitetura em três camadas consegue explicar a ideia principal do IoT, no en-tanto, a n´ıvel de investiga¸cão não é suficiente pois, esta, normalmente foca-se em detalhes mais pequenos não mencionados em nenhuma das camadas.

Camada de Negócio Camada de Aplica¸cão Camada de Processamento Camada de Transporte Camada de Perce¸cão B Camada de Aplica¸cão Camada de Rede Camada de Perce¸cão A

Figura 3.1 – Arquitetura de uma plataforma IoT. Divis˜ao em 3 camadas (A) e em 5 camadas (B). Adaptado deSethi and R. Sarangi (2017).

Da necessidade de definir mais precisamente uma arquitetura surgiram outras pro-postas. Uma delas ´e a da Figura 3.1 B, em que passam a existir cinco camadas. Este modelo, como descrito por Khan et al. (2012), ´e constitu´ıdo pelas seguintes camadas:

• Camada de Perce¸cão, consiste em objetos f´ısicos e dispositivos sensoriais, que dependem da aplica¸cão em causa. Os sensores podem ser do mais variado tipo como de temperatura, humidade, movimento, entre outros. A informa¸cão

(42)

recolhida é, então, passada à camada de transporte para a sua transmissão segura até ao processamento.

• Camada de Transporte, ou camada de Rede, é responsável por transferir a informa¸cão de forma segura entre os sensores e a unidade de processamento. O meio de transmissão pode ser com ou sem fios e a tecnologia Wi-fi, 3G, LoRa, etc dependendo dos requisitos da liga¸cão.

• Camada de Processamento. Dispositivos sobre uma rede IoT implementam diversos tipos de servi¸cos. Cada dispositivo comunica apenas com dispositivos que implementam o mesmo tipo de servi¸co. Esta camada é responsável pela gestão dos servi¸cos e a sua interliga¸cão. Encontra-se também ligada à base de dados e realiza processamento sobre os dados tomando decisões autónomas sobre os resultados obtidos.

• Camada de Aplica¸cão. Esta camada oferece uma gestão global da aplica¸cão a partir de dados processados pela camada anterior. Smart cities são um exemplo de uma aplica¸cão implementada pelo IoT.

• Camada de Negócio. Esta camada trata da gestão geral do sistema IoT incluindo aplica¸cões e servi¸cos. É também aqui que são apresentados modelos, gráficos e diagramas baseados nos dados recebidos da camada de aplica¸cão. O sucesso da tecnologia IoT depende profundamente do modelo de negócio, que é baseado na análise dos resultados apresentados por esta camada.

A an´alise da Figura3.2 permite compreender de que forma se encontra dividido um sistema completo de IoT.

3.2 Gest˜

ao de recursos

O IoT pode ser visto como um diagrama com inúmeros nós com diferentes capa-cidades ao n´ıvel de recursos, pelo que a sele¸cão e aprovisionamento dos mesmos tem um forte impacto na qualidade de servi¸co (QoS) da aplica¸cão. Dependendo da

(43)

3.2. GEST ˜AO DE RECURSOS 17

Camada de Neg´ocio Diagramas Gr´aficos

Sistema de gest˜ao

Camada de Aplica¸c˜ao Gest˜ao global

Camada de Processamento Base de dados Processamento

Gest˜ao de servi¸cos Camada de Transporte Wi-fi, 4G, LoRa, etc

Seguran¸ca

Camada de Perce¸c˜ao Objetos f´ısicos Sensores

Figura 3.2 – Arquitetura detalhada IoT em 5 camadas. Adaptado de Khan et al.(2012).

situa¸cão, estes recursos, podem significar objetos f´ısicos ou servi¸cos fornecidos pelos mesmos. Esta gestão apresenta uma enorme importância em sistemas distribu´ıdos e tem sido alvo de vários estudos. O IoT apresenta-se como um sistema distribu´ıdo em larga escala onde o seus constituintes têm um elevado grau de heterogeneidade de hardware e software, para além de os contextos de execu¸cão serem extremamente dinâmicos, o que dificulta ainda mais a sua gestão. Esta, deve ser capaz de descobrir e identificar todos os recursos dispon´ıveis e maximizar a sua utiliza¸cão, que pode ser na forma de custo, energia ou desempenho.

A grande quantidade de dados gerados pelos dispositivos IoT, em aplica¸cões do mundo real, impõe a necessidade de elevado poder de processamento e armaze-namento de forma a transformar os dados recolhidos em informa¸cão útil. Algumas aplica¸cões são mais sens´ıveis à latência enquanto outras requerem um processamento

(44)

mais complexo.

Segundo Flávia C. Delicato(2017), em sistemas distribu´ıdos a aplica¸cão corre sobre infraestruturas dimensionadas para o pior cenário, isto é, uma situa¸cão em que a utiliza¸cão máxima do sistema é garantida, podendo os recursos estar sobre-utilizados na maioria do tempo. Assim, mecanismos de aloca¸cão de recursos em plataformas IoT aplicam estratégias sofisticadas e algoritmos para melhor alocar recursos f´ısicos e virtuais. Durante o tempo de execu¸cão, tais mecanismos de monitoriza¸cão super-visionam o estado da infraestrutura de forma a acomodar exigências imprevistas de forma escalável e dinâmica. Um dos requerimentos do IoT é a capacidade de proces-samento em tempo real. Estes sistemas lidam com centenas ou milhares de pedidos paralelos e algumas aplica¸cões exigem uma resposta imediata, enquanto outras têm um maior grau de liberdade, desta forma, é necessário desenvolver estratégias de prioriza¸cão para garantir o funcionamento de todas as aplica¸cões.

De forma a poderem ser utilizados os recursos é necessário aplicar mecanismos de descoberta e monitoriza¸cão que funcionem de forma autónoma dadas as dimensões da rede. Tais mecanismos dependem de outros servi¸cos como a gestão, o registo e a comunica¸cão. Isto torna a descoberta de recursos fundamental para o bom funcionamento de uma plataforma de IoT.

De acordo comDatta et al.(2015), os mecanismos clássicos de descoberta utilizados baseados web não são adequados ao IoT devido aos diferentes requisitos do sistema. Assim, existem diversas frameworks de descoberta baseadas em tecnologias diferen-tes.

3.2.1 Arquitetura centralizada

Este é o método mais simples de fazer a gestão e descoberta de recursos. Os servi¸cos dispon´ıveis de ser utilizados são registados numa entidade centralizada. Um exemplo de uma framework deste tipo é a descrita por Bröring et al. (2016).

(45)

3.2. GEST ˜AO DE RECURSOS 19

Cliente Diret´orio Recurso

registo

query

resultado

Figura 3.3 – Exemplo de framework de descoberta centralizada. Adaptado deBr¨oring et al.

(2016).

objects de acordo com o seu dom´ınio. Esta solu¸cão utiliza diretórios como entidade central, estas agregam recursos de dom´ınio semelhante. Exemplos de diretórios podem ser, sensores de humidade, sensores de temperatura. Cada um destes, armazena os dados sobre os sensores desse tipo, facilitando a procura. Como é poss´ıvel ver na Figura 3.3, um recurso quando é adicionado à rede envia uma mensagem de registo ao diretório. Esta mensagem irá conter os servi¸cos que esse recurso pode disponibilizar e ficará armazenada. Quando um cliente pretende en-contrar um recurso, é enviada uma query de procura ao diretório que responde ao cliente.

3.2.2 Arquitetura distribu´ıda e P2P

Outro método mais complexo de realizar a procura de recursos é a utiliza¸cão de uma arquitetura distribu´ıda. A filosofia por detrás destes sistemas é peer-to-peer (P2P).Paganelli and Parlanti(2012) apresentou uma solu¸cão que adota uma técnica de tabelas de hashing distribu´ıdas. Esta solu¸cão é baseada numa rede P2P e apresenta algumas caracter´ısticas, em certos cenários vantajosas, em rela¸cão a uma arquitetura centralizada. Permite procuras baseadas em distância e procuras por

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20 CAP´ITULO 3. INTERNET DAS COISAS v´arios atributos. Peer Peer Peer Peer Cliente Recurso Cliente Recurso Cliente Recurso Cliente Recurso

Figura 3.4 – Exemplo de framework de descoberta baseada em comunica¸c˜ao P2P. Adaptado deLiu et al.(2013).

Liu et al. (2013) explica de que forma funciona uma solu¸cão de descoberta P2P. O sistema de descoberta de recursos apresentada consiste num número de peers conectados numa configura¸cão P2P. Cada um destes peers é responsável pelo registo e descoberta de recursos e encontra-se dividido em 3 camadas. A camada superior ´

e um proxy e tem a fun¸cão de comunicar com clientes e recursos. A camada central contém o registo de recursos e as suas informa¸cões. A última camada implementa um protocolo de comunica¸cão P2P.

3.3 Gest˜

ao e an´

alise de dados

De acordo com Garlasu et al. (2013), big data é um termo relativamente novo que teve origem na necessidade das grandes empresas tecnológicas de analisar enormes quantidades de dados. O conceito é muitas vezes descrito através de três termos: volume, velocidade e variedade (Gandomi and Haider, 2015).

Ao n´ıvel do IoT são necessárias considera¸cões especiais de forma a processar grandes quantidades de informa¸cão em ambientes tão heterogéneos e distribu´ıdos como os descritos anteriormente. Até certo ponto, os procedimentos relacionados com o big data como aquisi¸cão de dados, filtragem, transmissão e análise podem ser aplicados

(47)

3.3. GEST ˜AO E AN ´ALISE DE DADOS 21

para satisfazer os requerimentos do IoT.

Com o foco nos termos anteriores, surgiram duas abordagens distintas de lidar com o processamento de dados, o processamento em lote e em tempo real (fluxo). Cada um destes métodos tem as suas vantagens e desvantagens sendo que a escolha vai recair sobre a aplica¸cão em que será aplicado.

3.3.1 Processamento em lote

Neste tipo de cenário, os dados são recolhidos e armazenados, e posteriormente, processados em lotes de tamanho predefinido. Um exemplo onde pode ser aplicado o processamento em lote é num sensor de temperatura que realiza recolha de valores a cada minuto guardando-os numa base de dados. Ao fim do dia são processados os dados para calcular a temperatura média. Uma alternativa, seria calcular a média a cada valor inserido, no entanto, é uma op¸cão pouco eficiente.

Esta abordagem pode ser utilizada em diversos cen´arios, num contexto de grandes volumes de dados, em que o processamento leva um tempo significativo. Segundo a Microsoft Azure (2018a), este tipo de arquitetura pode ser dividida em cinco componentes l´ogicos como mostra a Figura 3.5.

Armazenamento de dados Processamento em lote Arquivo de dados anal´ıticos Orquestra¸c˜ao

Fluxo de Dados _An´_alises Relat´orios

Figura 3.5 – Organiza¸c˜ao de um cen´ario de processamento em lote. Adaptado deMicrosoft Azure (2018a).

(48)

O armazenamento de dados ´e geralmente um arquivo de ficheiros que serve como reposit´orio para grandes volumes de dados em diversos formatos. E geralmente´ denominado de data lake. O processamento em lote deve assim ocorrer, devido `

a natureza de grande volume dos dados, em lotes de execu¸cão onde são filtrados, agregados e preparados para ser analisados. O arquivo de dados anal´ıticos tem a fun¸cão de armazenar os arquivos resultantes do processamento num formato estruturado. Geralmente o armazenamento de dados é realizado em lotes organizados por janelas temporais. Estes arquivos serão depois utilizados para gerar análises e relatórios. De forma a interligar as diferentes componentes, é necessário realizar uma orquestra¸cão.

3.3.2 Processamento em tempo real

O processamento em tempo real tem como objetivo lidas com fluxos de dados obtidos em tempo real e processar estes com uma latência m´ınima de forma a gerar relatórios quase em tempo real. Este tipo de implementa¸cão deve ser utilizada em aplica¸cões com necessidades temporais como, por exemplo, uma solu¸cão de monitoriza¸cão de tráfego em tempo real, onde os sensores podem ter de atualizar um mapa de congestionamento e onde dados antigos não apresentam valor (Microsoft Azure,

2018b). Consumo de dados Processamento em tempo real Arquivo de dados anal´ıticos

Fluxo de Dados Armazenamento _An´_alises Relat´orios

Figura 3.6 – Organiza¸c˜ao de um cen´ario de processamento em tempo real. Adaptado deMicrosoft Azure (2018b).

(49)

3.4. PROTOCOLOS DE COMUNICAC¸ ˜AO 23

Assim, o processamento em tempo real ´e definido como um processo de fluxo com requisitos de latˆencia muito curto.

O principal desafio deste tipo de solu¸cão é receber, processar e armazenar os dados em tempo real, devido ao grande volume, de forma a não bloquear a pipeline, mas também a capacidade de agir sobre esses mesmos dados rapidamente, como gerar alertas.

A Figura3.6 apresenta uma arquitetura geral de uma solu¸cão de processamento em tempo real e encontra-se dividida nos seguintes componentes: consumo de dados, processamento em tempo real e arquivo de dados anal´ıticos. O consumo de dados é utilizado para armazenar temporariamente os dados para estes serem posteriormente processados. Normalmente isto é feito por um mediador de dados que os guarda em memória devido à sua relativa volatilidade. O processamento em tempo real, permite que após a captura em tempo real os dados sejam filtrados, agregados e de seguida analisados. O arquivo de dados anal´ıticos, tal como no processamento em lote, tem a fun¸cão de preparar os resultados do processamento e disponibilizar estes dados num formato estruturado para ser consultado.

3.4 Protocolos de comunica¸

c˜

ao

De acordo comKhodadadi et al.(2017), o IoT, do ponto de vista de rede e comunica-¸cão, pode ser visto como uma agrega¸cão de diferentes redes e tecnologias como redes móveis (3G, 4G, etc.), WLANs, entre outras.

Com o surgimento de protocolos de comunica¸cão focados em meios locais e urbanos, como o Wi-Fi, Bluetooth ou LoRa, desenvolver uma rede de objetos tornou-se mais fácil. No entanto, a aplica¸cão de protocolos que liguem estas diferentes tecnologias tornou-se mais complexo.

(50)

Camada de Aplica¸c˜ao CoAP HTTP Camada de Transporte UDP TCP

Camada de Rede IPv4 IPv6 Camada Phy/MAC Bluetooth Wi-Fi LoRa

Figura 3.7 – Aqruitetura de comunica¸c˜ao de solu¸c˜ao IoT. Adaptado de Khodadadi et al.

(2017).

3.4.1 Camada Phy/MAC

Esta camada refere-se às duas últimas camadas do modelo OSI. Segundo Day and Zimmermann (1984), camada Physical fornece o acesso elétrico e funcional ao meio f´ısico e especifica de que forma o dispositivo deve enviar e receber informa¸cão. Esta camada pode também ser denominada de MAC (Medium access control ). Em aplica¸cões IoT é também responsabilidade desta camada a divisão da informa¸cão em frames para esta ser transmitida. Os protocolos mais utilizados nesta camada são os seguintes: IEEE 802.15.4, Wi-Fi, LTE, LoRa, entre outros.

3.4.2 Camada de Rede

A camada de rede permite obter independência entre a tecnologia de transferência de dados e as considera¸cões de roteamento, escondendo todas as peculiaridades do meio de transporte. De acordo com as especifica¸cões do dispositivo os meios e protocolos de comunica¸cão variam, sendo os mais comuns o IPv6, 6LoWPAN (IPv6 over Low power Wireless Personal Area Networks) e RPL (IPv6 Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks) (Anna Gerber, 2018).

(51)

3.5. APLICAC¸ ˜OES 25

3.4.3 Camada de Transporte

O propósito da camada de transporte é fornecer uma transferência de dados trans-parente entre sistemas, de forma confiável e económica (Day and Zimmermann,

1984).

Esta camada prevê dois protocolos distintos, o TCP (Transmission Control Protocol ) e o UDP (User Datagram Protocol ). O TPC é um protocolo orientado a liga¸cões confiáveis, permitindo a entrega dos dados sem erros. Para isso, é controlada a velocidade de transmissão de forma a não superar a velocidade da rede. Além disso, é também utilizado um sistema de confirma¸cão de pacotes através do envio de confirma¸cões, ou acknowledgments (ACK). O UDP é um protocolo não orientado à liga¸cão, ou seja, não existe a garantia de entrega de pacotes, sendo este um protocolo mais leve devido ao reduzido tamanho do overhead.

3.4.4 Camada de Aplica¸

c˜

ao

A camada de aplica¸cão é a camada de abstra¸cão que reúne os protocolos de comunica-¸cão ponto-a-ponto. Existem inúmero protocolos nesta camada como o HTTP, CoAP ou XMPP (Anna Gerber,2018). No entanto, o modelo de publica¸cão/subscri¸cão é o método mais comum de troca de informa¸cão em sistemas distribu´ıdos devido à sua simplicidade. Um exemplo de protocolo é o MQTT (Message Queuing Telemetry Transport ). Em cenários dinâmicos, este tipo de protocolo é eficiente devido ao uso de notifica¸cões push e filas de espera para a entrega de mensagens. Outro tipo de protocolos como o HTTP apenas suporta modelos de pedido/resposta pelo que é menos utilizado em ambiente IoT.

3.5 Aplica¸

c˜

oes

O conceito do IoT baseia-se na intera¸cão entre dispositivos, objetos, infraestruturas e ambiente. As aplica¸cões de IoT têm, cada vez mais, um grande impacto na vida

(52)

de todos. Hoje em dia, muitos equipamentos domésticos trabalham em conjunto de forma a fornecer um servi¸co unificado e não como dispositivos a funcionar inde-pendentemente. Este tipo de intera¸cão é fundamental para aplica¸cões e servi¸cos do dia-a-dia, principalmente no que diz respeito a smart houses (Sharma and Tiwari,

2016) e smart cities.

Atualmente, e cada vez mais, podemos encontrar o IoT nos mais diversos campos. Segundo Chen et al. (2014) as aplica¸c˜oes do IoT podem ser divididos em 9 campos principais que s˜ao explicados na Tabela 3.1.

Campo Aplica¸c˜oes

Indústria Controlo de processos de produ¸cão, monitoriza¸cão do ambiente industrial, acompanhamento da cadeia de manufatura, monitoriza¸cão de ciclos de vida de produtos e controlo de polui¸cão e poupan¸ca de energia.

Agricultura Utiliza¸cão de recursos agr´ıcolas, gestão quantitativa de processos de produ¸cão agr´ıcola, monitoriza¸cão ambiental, gestão de qualidade.

Log´ıstica Controlo de inventário, gestão de distribui¸cão, sistemas de seguimento inteligente.

Transportes Perce¸cão e notifica¸cão do tráfego, posicionamento e agendamento de viaturas, plataformas de transporte inteligentes.

Smart Grid Monitoriza¸cão de instala¸cões elétricas, subesta¸cões inteligentes, agendamentos automáticos, telecontagens.

Ambiental Monitoriza¸cão de polui¸cão, qualidade da água e ar, recolha de informa¸cão ambiental.

Seguran¸ca Monitoriza¸cão de materiais perigosos, gestão da qualidade alimentar, infraestrutura de resposta de emergência, alertas de acidentes.

Médico Controlo inteligente de medicamentos, gestão hospitalar, recolha da dados médicos, monitoriza¸cão remota de pacientes.

Casa Seguran¸ca, controlo de eletrodom´esticos, monitoriza¸c˜ao inteligente, poupan¸ca de energia.

(53)

3.6. SEGURANC¸ A 27

3.6 Seguran¸

ca

Com o crescimento do IoT tendem a aparecem novos problemas de seguran¸ca. As principais causas para estes problemas são a dimensão e heterogeneidade das redes, podendo estas ser relacionadas com os dispositivos ou com a comunica¸cão (Zhang et al., 2014). Um dos principais focos de vulnerabilidades é o design dos programas, que com a velocidade de desenvolvimento e aparecimento de novas tecnologias, é muitas vezes descorado. Para além disso, as atualiza¸cões de software nem sempre existem o que deixa vulnerabilidades detetadas por corrigir. Por outro lado, no que diz respeito à comunica¸cão, a existência de diferentes protocolos e estruturas de dados, assim como a diversidade dos equipamentos de rede leva ao aparecimento de vulnerabilidades, sendo que estas são de complexa resolu¸cão. Desta forma, um dos principais desafios para o IoT é como lidar com as questões de seguran¸ca.

3.6.1 Identifica¸

c˜

ao

A principal dificuldade de identifica¸cão de objetos é garantir a integridade dos registos. Apesar de o Domain Name System (DNS) ser utilizado na Internet é um sistema inseguro que continua a ser vulnerável a ataques como cache poisoning ou man-in-the-middle (Ariyapperuma and Mitchell, 2007).

Servidor DNS Utilizador exemplo.com IP: 192.0.0.16 IP para exemplo.com? 192.0.0.16 (em cache)

(54)

A utiliza¸cão de cache no DNS permite uma redu¸cão significativa nos tempos de acesso, no entanto, isto ocorre em detrimento da consistência, isto é, se a identifica¸cão de objetos for alterada esta pode não ser apresentada até que a cache seja limpa ou o time to live (TTL) expire. Normalmente um utilizador faz uma query, como no exemplo da Figura 3.8 e o servidor de DNS responde com o endere¸co IP em cache, reduzindo o tempo de resposta que seria muito maior caso fosse necessário comunicar com os vários servidores envolvidos no processo de resolu¸cão DNS. Após obter o endere¸co IP é poss´ıvel aceder à página.

Malicioso IP: 192.0.0.17 exemplo.com IP: 192.0.0.16 Servidor DNS Utilizador IP para exemplo.com? 192.0.0.17 (em cache)

Figura 3.9 – Ataque de cache poisoning. Adaptado de Cloudflare.

Um ataque de cache poisoning consistem em introduzir informa¸cão falsa na cache, de forma a que as queries futuras retornem informa¸cão incorreta como mostra a Figura 3.9. Isto é poss´ıvel pois o DNS utiliza o UDP invês do TCP. Desta forma, um atacante pode fazer-se passar por um resolver DNS e forjar a resposta do mesmo sem que o servidor saiba a verdadeira origem da informa¸cão. Este problema ocorre, pois o protocolo de DNS foi desenvolvido para redes muito mais pequenas que a atual Internet e era baseado num princ´ıpio de confian¸ca.

Para resolver estes problemas existe um protocolo chamado Domain Name System Security Extensions (DNSSEC) que utiliza chaves públicas para verificar e autenticar a informa¸cão (Cloudflare). No entanto, este tipo de seguran¸ca traz consigo um aumento do processamento necessário e do overhead dos pacotes, o que pode não ser adequado para o IoT.

(55)

3.6. SEGURANC¸ A 29

3.6.2 Autentica¸

c˜

ao e Autoriza¸

c˜

ao

O IoT representou uma mudan¸ca ao n´ıvel da comunica¸cão, passou-se de comunica¸cão entre pessoas para uma entre objetos. Isto criou vários desafios ao n´ıvel da seguran¸ca, principalmente no controlo de acesso e autentica¸cão, sendo estes aspetos cr´ıticos de qualquer sistema (El-hajj et al., 2017). A autentica¸cão é o processo que determina se uma entidade, seja ela um dispositivo ou utilizador, pode aceder a um recurso e deve ser um fator chave para o IoT, pois um só dispositivo comprometido pode afetar toda a rede. A grande variedade de categorias sobre as quais os dispositivos e redes IoT caiem não permitem apontar uma única solu¸cão ao n´ıvel da autentica¸cão e autoriza¸cão uma vez que certos protocolos são mais adequados a determinadas situa¸cões e arquiteturas. Diferentes aplica¸cões necessitam de diferentes n´ıveis de seguran¸ca.

3.6.3 Privacidade

No IoT, os dispositivos utilizados para gerir, monitorizar e otimizar as atividades humanas são cada vez mais inteligentes e com capacidade de comunica¸cão, pro-cessamento, armazenamento, e sobretudo, recolha de informa¸cão. No entanto, as consequências são muito grandes quando existe divulga¸cão de informa¸cão sens´ıvel sem o consentimento dos utilizadores. Devido à interdependência e dinâmica dos sistemas, uma pequena fuga de informa¸cão pode ferir de forma severa a privacidade. Desta forma, o IoT tem cada vez mais o desafio de tornar a infraestrutura segura, confiável e que preserve a privacidade dos utilizadores (Porambage et al.,2016). Devido à heterogeneidade dos sistemas torna-se dif´ıcil a aplica¸cão de protocolos convencionais sobre privacidade. Um dos maiores problemas de privacidade é a identifica¸cão de informa¸cão pessoal. (Porambage et al.,2016) dá um exemplo criando um cenário em que o Bob compra uma tag RFID com o seu cartão de crédito. Em certas situa¸cões, a informa¸cão pessoal do Bob pode ser automaticamente relacionada ao objeto comprado. Este tipo de dados pode dar lugar a amea¸cas à privacidade em termos de localiza¸cão e seguimento.

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Semelhantemente, caso o Bob adquira um conjunto de tags e uma conseguir ser associada a si, pode acontecer o mesmo com as seguintes. De forma mais geral, as questões de privacidade do IoT envolvem localiza¸cão de utilizadores, cria¸cão de perfis, controlo de acesso, prote¸cão de dados e confidencialidade.

3.7 Dispositivos

Os dispositivos do IoT são apenas componentes eletrónicos que trocam informa¸cão entre si. Segundo Podnozov, Andre (2019), Este tipo de dispositivo pode agrupado nas seguintes categorias:

• Microcontroladores: estes são a forma mais simples de dispositivos IoT. Podem recolher e enviar dados do ambiente, assim como receber comandos. A sua vantagem é o seu baixo consumo e capacidade de ser alimentado por bateria, para além de serem de reduzido custo.

• Computadores de placa única: este tipo de dispositivo é o exemplo do Raspberry, e apresentam um maior poder de processamento sendo capazes exibir comportamentos inteligentes. No entanto o seu valor é maior e consomem mais energia.

• Gateways: estes dispositivos são utilizados em cenários de grandes redes IoT, fornecem conectividade e atuam em nome de um grupo de objetos. São providos de elevado poder de processamento.

3.8 Problemas e desafios

A conexão de um grande número de dispositivos será um dos grandes desafios do IoT no futuro e irá definir o próprio modelo atual de comunica¸cões e tecnologias que o suportam (Robbie Mitchell). Atualmente, a maioria dos servi¸cos são centralizados o

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3.8. PROBLEMAS E DESAFIOS 31

que é suficiente para as centenas ou milhares de dispositivos envolvidos. No entanto, quando as redes aumentarem drasticamente de tamanho para a ordem dos milhões de dispositivos, os sistemas centralizados tornar-se-ão um bottleneck, ou seja, irá haver problemas de congestionamento. O futuro do IoT irá assim depender fortemente das redes descentralizadas e movendo parte do processamento para as nós.

De acordo com Ben Dickson, o IoT atualmente está a crescer rapidamente e com diferentes tecnologias que tentam competir para se tornarem o standard. Isto poderá causar dificuldade na interliga¸cão de dispositivo e necessidade de outras tecnologias para realizar a interliga¸cão. Por outro lado, equipamentos com um tempo de vida elevado como televisões ou frigor´ıficos, devem ser capazes de se atualizar e manter em funcionamento mesmo quando o construtor deixe de os suportar.

O IoT cria desafios únicos ao n´ıvel da privacidade que podem ir muito para lá do que estamos habituados hoje. Este problema torna-se mais saliente no caso de dispositivos com capacidade de monitoriza¸cão como smartphones, carros ou mesmo televisões. No caso das televisões, funcionalidades como reconhecimento de voz ou gestos podem estar continuamente a monitorizar os utilizadores e transmitir esses dados para servi¸cos na cloud para processamento (Meng et al., 2018). Este tipo de recolhe de dados expõe o IoT a problemas legais no que diz respeito a prote¸cão de dados e privacidade.

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A semelhan¸ca da privacidade, a seguran¸ca deve ser um grande foco do IoT. Uma grande mudan¸ca ao n´ıvel da seguran¸ca deve surgir do facto que o IoT se tornará mais enraizado nas nossas vidas, pelo que as preocupa¸cões deixaram de ser simplesmente com a prote¸cão de dados e informa¸cão sens´ıvel. As vidas e saúde humanas poderão também ser vitimas de ataques (Meng et al., 2018).

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Proposta de uma arquitetura

Neste cap´ıtulo é apresentada uma proposta de uma arquitetura para um sistema de telecontagem para água e eletricidade sendo descritos os requisitos pretendidos para o sistema, de que forma se encontra organizado e é explicado detalhadamente o seu funcionamento.

4.1 Requisitos

Atualmente tanto os contadores de água como de eletricidade cumprem o seu prop´ o-sito principal que é a fatura¸cão, pelo que este é o principal objetivo para o sistema a desenvolver, obter contagens precisas e fidedignas. Os contadores clássicos não permitem ao utilizador monitorizar os seus consumos em tempo real sendo que só após a fatura¸cão são conhecidos os gastos. Assim, pretende-se que o sistema tenha a capacidade de informar quer o cliente, quer o distribuidor, dos consumos em tempo real. Isto que permite intervalos de fatura¸cão personalizados e o conhecimento dos consumos no momento. Após a análise cuidada sobre o estado da arte e o estudo teórico sobre o IoT foram delineados requisitos que seriam necessários o sistema apresentar sendo que este deve ser dinâmico, isto é, poder ser utilizado tanto para

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34 CAP´ITULO 4. PROPOSTA DE UMA ARQUITETURA

monitorizar eletricidade como ´agua. Uma das principais caracter´ısticas do IoT ´e o baixo custo dos nodes, assim, tornou-se um objetivo desenvolver um node com o menor custo poss´ıvel que possa ser utilizado pelo comercializador de eletricidade ou ´

agua mas também por qualquer pessoa que o pretenda instalar em sua casa para realizar controlo de consumos, pelo que este deve ser de reduzidas dimensões e, mais importante, de fácil instala¸cão sem a necessidade de conhecimentos técnicos. Para isso foi idealizado um sistema modular para a alimenta¸cão e comunica¸cão. A alimenta¸cão pode ser feita através de uma liga¸cão ao quadro elétrico ou através de uma bateria que é carregada por um hidrogerador, dependendo da aplica¸cão. Estes dois modos de alimenta¸cão devem ser poss´ıveis de ser alterados caso seja necessário alterar o propósito do node. Da mesma maneira, as comunica¸cões podem ser feitas por LoRa ou Wi-Fi sendo que cada uma das tecnologias se encontra também num módulo distinto poss´ıvel de ser subsistido. Para além disto o node deve armazenar as contagens realizadas em memória.

Todos os dados recolhidos pelos sensores devem ser poss´ıveis de visualizar pelos utilizadores numa plataforma, que para além disso deve permitir fazer a gestão dos nodes. De forma a poder suportar um grande número de utilizadores deve ser desenvolvida tendo em considera¸cão a sua escalabilidade e seguran¸ca.

4.2 Arquitetura

O sistema desenvolvido encontra-se dividido em trˆes componentes principais, os dispositivos, os gateways e a plataforma de controlo e gest˜ao.

Dispositivo Gateway Plataforma Sistema de Telecontagem