IoT – Internet das coisas

O avanço da IoT - Internet das coisas inicia um novo processo de avaliação para o futuro. Estamos prontos para essa tecnologia? É possível simplesmente fazer estimativas, mas existem alguns fatores importantes que devem ser considerados para projetar a infraestrutura futura, que será impulsionada por bilhões de dispositivos conectados da IoT. Para começar a planejar e preparar a rede do amanhã, precisamos entender as necessidades atuais de energia, iluminação e dados.


Data: 29/07/2017

Edição: RTI Junho 2017 - Ano XVIII - No 205

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Fig. 1 - A ideia do IoT é fornecer mais valor para o usuário final e respectivo ambiente por meio da interação da programação de software, sensores e disposivos de comunicação

A IoT - Internet das coisas é completa de endpoints identificáveis ou “coisas”, como termostatos, telefones, câmeras de segurança, crachás de segurança e outros dispositivos inteligentes. Esses aparelhos suportam vários aplicativos que coletam dados úteis com a ajuda de várias tecnologias existentes; em seguida, eles efetuam de forma autônoma a transmissão de dados entre outros dispositivos para propiciar melhorias para o ambiente adjacente, tudo isso sem a interação humana.

Os dispositivos conectados, frequentemente, utilizam o protocolo IP e muitos já incorporam a tecnologia PoE - Power-over-Ethernet.

O crescimento do mercado IoT é surpreendente; em consequência, as demandas de armazenamento de dados e capacidade de largura de banda da rede estabelecidas na infraestrutura do mundo conectado deverão ser fenomenais. Em 2008, o número de coisas conectadas à Internet superou o de pessoas na Terra [2]. Até 2012, o número de dispositivos alimentados com PoE era estimado em 100 milhões. Até 2020, cerca de 250 milhões de carros deverão ser conectados à Internet e o número de dispositivos IoT deverá exceder 100 bilhões de objetos, ou cerca de 26 objetos inteligentes para cada ser humano da Terra. Para citar outro exemplo, a Amazon vendeu mais de 3 milhões de assistentes digitais pessoais e alto-falantes sem fio nos EUA desde o seu lançamento no final de 2014, incluindo um milhão durante a temporada de compras de Natal em 2015. Mais da metade dos compradores usa tais dispositivos para mais do que apenas um streamer de música controlado por voz [3].

Benefícios da IoT

Os benefícios de dispositivos conectados e sistemas de suporte podem ser descritos como uma melhoria para o ambiente do usuário por meio de:

Esses benefícios também habilitam uma pessoa a gerenciar sua vida diária de forma mais eficiente através de melhor delegação, atenção imediata às mudanças que possam surgir e melhorias nos respectivos processos diários. Por exemplo, dispositivos atuais usáveis de tamanho extremamente reduzido, como relógios inteligentes, podem incorporar a tecnologia sem fio para se comunicar, analisar e reportar o estado da temperatura, batimentos cardíacos, atividade física e localização para aplicativos médicos e esportivos [3]. Dispositivos móveis, como sistemas de aeronaves não tripuladas (drones), podem ser usados para monitoramento visual de oleodutos e gasodutos, em conjunto com os respectivos detectores e lasers sofisticados, visando reportar informações de segurança e vigilância por vídeo.

Dispositivos implantáveis no pescoço ou coleira de cães podem fornecer informações sobre seu paradeiro e saúde diretamente para o celular do proprietário e do veterinário. As aplicações de IoT são muitas e se estendem em diferentes indústrias.

Considerações para a infraestrutura conectada

Com a mobilidade oferecida pelos dispositivos conectados, o conceito BYOD - Bring Your Own Device está rapidamente se tornando popular, criando uma exigência para redes convergentes de energia, iluminação e dados (PLD - Power, Light and Data) mais sofisticadas em edifícios comerciais, escritórios e data centers. Isso melhorará as experiências do usuário com a capacidade adicional de utilizar e gerenciar PLD por meio de comunicações compartilhadas. A infraestrutura da rede terá que suportar as necessidades das aplicações e dispositivos conectados do amanhã.

Fig. 2 - Os dispostivos do IoT detectam, comunicam, analisam e processam algo geralmente em um loop sequencial

Dispositivos IoT são, geralmente, endpoints endereçáveis IP que podem utilizar a estrutura de processamento de borda da IoT, combinada com a inteligência da nuvem. Esses dispositivos também incorporam o hardware e o software necessários para executar funções inteligentes localmente e processar essas informações para originar ações benéficas. Quando olhamos para o que vai ser necessário nos futuros aparelhos, dispositivos móveis, computadores, objetos usáveis e mesmo o próximo veículo autônomo, alguns elementos comuns e importantes são necessários, não importa o espaço de operação. Seja em sua residência, no trabalho ou viajando, a ideia é fornecer mais valor para o usuário final e respectivo ambiente por meio da interação da programação de software, sensores e dispositivos de comunicação, os quais podem funcionar todos juntos de forma inteligente como um sistema.

Fig. 3 – Evolução do cenário tecnológico

Dispo

Os dispositivos IoT são projetados para nos fornecer um benefício. Eles detectam, comunicam, analisam e processam algo geralmente em um loop sequencial. O elemento de “comunicação” é uma parte comum e importante do loop, porque ele cria ou habilita um backbone conectado a todo o sistema a se comunicar com si mesmo e com a Internet.

Habilitar a infraestrutura para IoT significa efetuar a interconexão efetiva dos dispositivos de comunicação com eles próprios e com a Internet por meio de cabeamento estruturado ou cabos de par trançado, visando conectar fisicamente redes sem fio compartilhadas, como Wi-Fi, celular e bluetooth.

Alguns exemplos de dispositivos IoT conectados são:

Blocos de construção da IoT

Um dispositivo IoT conectado tem capacidade de detectar e coletar informações de espaços localmente ocupados, ou do ambiente, e processar ou agir por conta própria em conformidade. Isso pode ser feito por uma rede local com serviços de software e de aplicativos baseados na Internet, normalmente referidos como “Apps”, que operam via redes de comunicação conectadas.

Gateway é um dispositivo de habilitação de IoT para comunicações máquina para máquina (M2M) que fornece um portal para a rede de comunicação conectando dispositivos na residência, local de trabalho ou cidades inteligentes.

Edge é um conceito de IoT definindo a migração de serviços, dados e aplicativos computacionais dos nós centralizados para os extremos lógicos de uma rede, habilitando, assim, a geração de conhecimentos e analíticos na fonte de dados.

Fog (neblina ou névoa) é uma abordagem da arquitetura IoT que usa uma multidão colaborativa de clientes usuários finais ou dispositivos edge do usuário próximo para executar uma quantidade substancial de comunicação, controle, configuração, medição, gestão e armazenamento temporário.

Segurança é um dos maiores desafios para indivíduos e empresas no planejamento para a adoção de soluções IoT. Como os dispositivos IoT podem ser conectados diretamente à Internet, é fundamental possuir serviços e protocolos de IAM - Information Access Management no local, permitindo que somente indivíduos autorizados acessem recursos específicos em horários apropriados e pelas razões certas.

A evolução do cenário tecnológico

Fig. 4 – Convergência de energia, iluminação e dados sobre a mesma infraestrutura

Desde o início da Internet, nossas interações têm sido tradicionalmente humano para humano (H2H) ou humano para máquina (H2M) para armazenar e processar informações digitais de dados, voz e vídeo. O mundo conectado da IoT está impulsionando essa evolução em direção às interfaces inteligente M2M à medida que esta inteligência é incorporada em tudo ao nosso redor. Considerando os rápidos avanços na computação, em conjunto, com algoritmos mais avançados, parece lógico que estamos preparando o terreno para a próxima onda de inteligência artificial que traz máquinas mais próximas dos humanos (M + H - Machines closer to Human). À medida que esses dispositivos se tornam mais inteligentes e prolíferos, as interfaces de máquina para máquina, assim como a interação humana direta com elas de uma forma mais natural, serão mais predominantes.

Convergência

Convergência pode na verdade significar muitas coisas diferentes. Historicamente, o termo tinha sido aplicado às redes de comunicação onde a convergência de dispositivos baseados no protocolo IP permitia o uso da Internet para conectar digitalmente serviços de voz e dados, como telefonia pública comutada e redes de computadores. Hoje, o significado é mais amplo, especialmente quando pensamos em todos os dispositivos, computadores, iluminação e sensores conectados à rede pública por meio de interfaces seguras. Todas essas “coisas” requerem não apenas links para fornecer a transporte de dados, análise computacional e controle, mas também alimentação para permitir que funcionem de forma eficaz.

Convergência comercial é o resultado da redução na sobreposição dos negócios que serão necessários para instalar as “coisas” da IoT e dos novos negócios que serão capazes de implementá-las. Um exemplo de convergência comercial é a capacidade de o integrador do cabeamento de baixa tensão instalar o cabeamento e a iluminação LED inteligente com PoE overhead, sem necessidade do cabeamento CA de alta tensão e alto custo ou de um inspetor da construção para realizar uma inspeção final na fiação CA.

Como alimentar todas essas coisas?

Dispositivos conectados, como sensores, computadores e robôs estão cada vez mais se tornando parte dos espaços em que vivemos, trabalhamos, viajamos e nos divertimos. Para operar esses dispositivos IoT eletrônicos, eles precisam basicamente ser alimentados. Para obter uma redução no consumo de energia e um aumento na eficiência em comparação com os tradicionais sistemas CA de alta tensão, a alimentação CC está se tornando cada vez mais a energia escolhida.

A energia tem sido tradicionalmente fornecida para um dispositivo conectado pela rede de energia elétrica local, onde a alimentação CA tem de ser convertida em CC. A alimentação CC, diretamente de baterias e/ou células solares, também pode fornecer a energia ou ser combinada como um backup para a alimentação CA.

O cabeamento das comunicações híbridas de dados e energia, contendo condutores separados para os dados e energia dentro do mesmo revestimento, tem sido frequentemente usado para alimentar remotamente câmeras de videovigilância a longa distância.

A energia também pode ser entregue remotamente por meio do cabeamento PoE de baixa tensão a partir de switches baseados em PoE. Um benefício significativo da infraestrutura conectada é que ela não apenas fornece os links de comunicação, mas também a energia para os dispositivos conectados e/ou seus dispositivos/gateways de suporte usando dados convergidos com alimentação de corrente contínua (CC) de baixa tensão. Convergir a energia e os dados sobre a mesma infraestrutura de cabeamento representa uma opção mais simplificada e econômica do que utilizar cabeamentos separados de comunicação e alta tensão. Isso também facilita a implementação de recursos como sensores ambientais e monitoramento do consumo de energia, bem como controle via software e segurança remota.

Power over Ethernet

Power-over-Ethernet, ou PoE, consiste de vários sistemas padronizados que habilitam a transferência de dados e energia através de um único cabo Ethernet, desde o equipamento de fornecimento de energia (PSE - Power Sourcing Equipment) até diversos dispositivos alimentados (PD - Powered Device) de baixa tensão, como câmeras, telefones VoIP, roteadores Wi-Fi e outros.

Para obter segurança em uma rede local convergida de dados e energia usando PoE, a alimentação CC é injetada pelo PSE nos mesmos condutores de cobre que transportam os sinais das comunicações digitais. Os PDs habilitados por PoE separam a energia do fluxo de dados digitais. Dependendo dos requisitos da aplicação, a alimentação CC pode ser injetada no endspan através do switch habilitado por PoE do data center ou no midspan por um dispositivo localizado no rack [4]. Os switches do data center, que têm as capacidades PoE incorporadas diretamente nas portas de cobre, estão se tornando mais comuns nos racks e sala de telecomunicações do data center.

A alimentação CC, fornecida por meio de sistemas de cabeamento convergentes com PoE, é um bloco de construção fundamental para aplicações e dispositivos IoT. A alimentação PoE dos data centers é um importante habilitador para IoT em todos os nossos espaços, especialmente para novas construções, uma vez que os sistemas de controle dos edifícios estão se tornando mais inteligentes e são proativos e não reativos. Os dispositivos alimentados por CC de baixa tensão eliminam a necessidade de tomadas de parede volumosas e cabos adaptadores de CA para CC, reduzindo assim a dissipação de calor, custos dos componentes e uso de energia. Como resultado, há maior facilidade de instalação e manutenção, além de potencial para a redução do tempo de inatividade do sistema. A energia também pode ser fornecida de forma mais eficaz para locais remotos usando PoE. Além disso, redundância e backup de energia podem facilmente ser fornecidos por um UPS ou outro sistema de backup com baterias.

Padrões mundiais também estão sendo desenvolvidos para sistemas baseados em PoE sob o patrocínio do IEEE e TIA. Os padrões baseados em PoE, que definem as potências de operação dos PDs, são atualmente regidos pelo IEEE, que ratificou as normas para os dispositivos PoE Tipo 1 e PoE+ Tipo 2, conforme mostrado na tabela I. Os padrões dos dispositivos PoE++ Tipo 3 e PoE++ Tipo 4 deverão ser ratificados ainda este ano.

Power over HDBaseT (PoH) é uma versão de PoE especificamente para aplicações multimídia, permitindo até 10,2 Gbit/s de vídeo e áudio não comprimidos, Ethernet 100Base-T, sinais de controle e compartilhamento de energia sobre o mesmo cabo em distâncias de até 100 metros usando conectores RJ-45. Outras soluções PoE comerciais também estão surgindo, como a PoE universal de 60 W (UpoE), da Cisco.

Ao considerar um projeto de infraestrutura conectada, é importante começar determinando o tipo de aplicações IoT que serão implementadas, agora e no futuro, e em seguida determinar os requisitos da fonte de energia necessários para alimentar os dispositivos conectados.

Iluminação LED inteligente: Prova de convergência de PLD

Convergência de PLD consiste em energia, iluminação e dados fornecidos juntos via cabeamento Ethernet de baixa tensão em edifícios comerciais e espaços de escritórios. A iluminação LED inteligente residencial ou corporativa possui recursos funcionais e automáticos, além daqueles dos tradicionais sistemas de iluminação fluorescente ou incandescente. A solução da Cisco “Digital Ceiling Framework” é um exemplo de tal sistema de iluminação LED inteligente. Os sinais de controle e alimentação CC para as lâmpadas são fornecidos por switches PoE via sistema de cabeamento estruturado Ethernet, reduzindo significativamente o uso de energia e permitindo a adaptação da experiência do usuário à iluminação.

Fig. 5 – Padrões PoE – Power over Ethernet

A energia PoE é fornecida centralmente a partir dos switches para as lâmpadas LED e outros dispositivos conectados PD alimentados por PoE. Um software controla a intensidade e cor da iluminação por meio de Apps em dispositivos móveis, como computadores pessoais e telefones inteligentes.

Os sistemas de iluminação LED inteligente, geralmente, requerem potências operacionais maiores do que os tradicionais sistemas PoE. Isso aumenta as demandas de manipulação de correntes na infraestrutura de cabeamento conectado, sendo necessário, portanto, avaliar as propriedades do sistema de cabeamento global.

Junto com a convergência de PLD, as redes sem fio LiFi consistem numa tecnologia relativamente nova. Ela utiliza comunicação com luz visível, modulando as luminárias LED suspensas com os dados de comunicação da rede para fornecer um link de dados ópticos localizados no espaço livre da linha de visada. Algumas das vantagens de LiFi sobre WiFi são a redução de interferência de múltiplas fontes RF e o espectro mais amplo de operação das lâmpadas LED visíveis. No entanto, a necessidade de operação na linha de visada com LiFi restringe, neste ponto, a cobertura da área e a mobilidade dos dispositivos conectados.

Arquitetura centralizada versus descentralizada

Nas arquiteturas centralizadas, dispositivos conectados IoT transmitem as solicitações de computação e informações dos dados dos respectivos sensores diretamente de volta para o data center onde o processamento e o armazenamento de informações são realizados por servidores, executando Apps específicos por meio dos switches. As solicit ações para ação e os dados processados são, por sua vez, enviados de volta para os dispositivos conectados a partir desses aplicativos centralizados.

Na abordagem descentralizada (ou zona), a computação de borda (“edge”) é habilitada por Apps, sendo executados em microprocessadores incorporados nos dispositivos conectados e nos gateways, os quais tiram a responsabilidade do processamento das informações e computações dos dispositivos locais. Em vez de dispositivos IoT como câmeras de segurança, termostatos inteligentes e sistemas de automação de edifícios enviarem dados de volta para o data center para instruções ou análise de dados, as informações são processadas localmente para que a latência da rede não afete o desempenho dos dispositivos IoT. Apenas a transferência de informações exclusivas e críticas precisam ser enviada de volta para o data center. Isso agiliza o processamento do streaming de dados e comunicações com outros dispositivos para realizar tarefas e permitir que sistemas trabalhem de forma autônoma, fornecendo informações para os pontos de tomada de decisão de forma mais rápida e eficiente. A abordagem descentralizada também reduz o impacto das comunicações big data, uma vez que os dados podem ser analisados e processados na primeira borda. Assim, apenas os dados úteis precisam ser armazenados nas SANs do data center.

Espera-se que ocorra uma rápida adoção da abordagem do projeto de arquitetura descentralizada por meio da maior utilização de gateways para suportar aplicações como segurança, ocupação, iluminação LED, LAN e Wi-Fi. Essa abordagem pode também ajudar a consolidar as salas de telecomunicações (TR), onde menos espaço de rack será exigido, bem como criar a necessidade de um cabeamento de backbone de maior desempenho, como Cat. 6A ou fibra óptica para conexão das TRs com os gateways.

Fig. 6 – Arquiteturas centralizadas versus descentralizadas

Com arquiteturas descentralizadas, dispositivos IoT mais simples, menores e de custo mais baixo podem executar Apps em dispositivos de microprocessamento incorporados, e não precisam ser diretamente endereçáveis a partir do data center. Essa segurança por zonas de circuito fechado pode reduzir a vulnerabilidade a ataques externos à segurança. Além disso, é mais fácil garantir o controle dos dados (ou seja, que os dados permaneçam locais – o que é suportado por muitas políticas de controle de dados governamentais globais). Adicionalmente, a evolução da infraestrutura base da IoT atualmente instalada facilitará o atendimento das demandas futuras de novos assinantes e aplicações baseadas em um mercado global conectado em mutação.

As LANs opticas passivas (POLs) ou redes ópticas passivas Ethernet (EPONs) consistem num exemplo de um tipo híbrido de arquitetura LAN usando uma fibra óptica monomodo e splitters SC/APC monomodo a partir de um OLT - Optical Line Terminal. A energia descentralizada é alimentada nos dispositivos conectados e fornecida por um ONT - Optical Network Terminal local.

Otimização de espaço e densidade

A capacidade para efetuar a gestão das conexões multimídia de cobre e fibra óptica de forma fácil e eficaz será necessária devido à convergência de dados, vídeo, segurança, áudio e vídeo na sala de telecomunicações.

O aumento nas exigências de otimização de espaço e densidade de portas, tanto na sala de telecomunicações quanto no data center, aumentará a necessidade de suportar o crescimento do número de dispositivos conectados, armazenamento de dados e velocidades computacionais necessárias para acompanhar as demandas de IoT. A capacidade de migrar dos atuais 10 Gbit/s para as conexões ópticas futuras de 40 e 100 Gbit/s é, frequentemente, necessária no data center e será mais predominante no ambiente da sala de telecomunicações. Esses sistemas de transmissão de fibra óptica paralelos utilizam oito e doze conexões com matriz de fibra óptica paralelas com MTP/MPO, otimizando o espaço do conector enquanto também propicia maiores velocidades de transmissão do data center.

Largura de banda e latência

Com o aumento dos dispositivos IoT conectados, cada vez mais sistemas estarão coletando informações e atuando pela Internet. O processamento dessas informações exigirá uma rede com o desempenho necessário para transferir tanto as informações quanto a energia sem atrasos ou interrupções significativas. Não apenas é importante a largura de banda ou capacidade de transmissão de informações de uma infraestrutura conectada, mas também é crítica a latência, ou atraso na transmissão de informações essenciais do núcleo da rede até a borda. A largura de banda e a latência são dois parâmetros de desempenho distintos e importantes para muitos aplicativos de dispositivos IoT. Por exemplo, funções de tempo crítico como o monitoramento dos batimentos cardíacos ou as atuações mecânicas precisamente cronometradas baseadas na resposta de um sensor, podem não ser capazes de lidar com atrasos significativos na transmissão através da rede.

Sustentabilidade

Projetos de expansão ou melhoria da infraestrutura necessários para suportar a adoção de IoT em edifícios comerciais também podem representar uma oportunidade para selecionar soluções com declarações ambientais do produto (EPDs) ou declarações de saúde do produto (HPDs), as quais fornecem pontos para um projeto LEED. Pontos para o LEED podem ser disponibilizados quando esses produtos forem utilizados em instalações de cabeamento qualificadas.

Conclusão

A Internet das coisas, via dispositivos conectados, está criando demandas significativas nas redes, fazendo com que uma infraestrutura conectada seja mais crítica do que nunca ao projetar as redes do amanhã.

Planejar para o futuro durante a concepção de sua infraestrutura de energia, iluminação e dados convergentes vai exigir uma cuidadosa consideração de muitos aspectos essenciais do projeto, como:

Referências

  1. [1] Future Smart: Managing the Game-Changing Trends that Will Transform Your World, James Canton, Da Capo Press, Janeiro, 2015.
  2. [2] Cisco, GE, Google, IEEE Spectrum.
  3. [3] Consumer Intelligence Research Partners (CIRP) report.
  4. [4] Lighting the Way for Innovation at Launch Fishers with Digital Ceiling PoE LED Solutions, Legrand Data Communications Case Study, Julho, 2016.