Sistema universal de aquisição, processamento e monitorização de variáveis sensoriais com base em tecnologia IoT

Abstract

A Internet das Coisas (IoT) tem ganho cada vez mais importância na sociedade atual, permitindo a conexão e comunicação entre objetos do quotidiano, como eletrodomésticos, veículos, dispositivos médicos e até mesmo cidades inteiras, através da internet. Este avanço tecnológico tem proporcionado inúmeras vantagens, desde a automação de tarefas domésticas até à otimização de processos industriais. Nos últimos anos, o mercado IoT tem registado um crescimento significativo e é expectável que esta tendência se mantenha nos próximos anos. Contudo, o rápido crescimento deste mercado, aliado à ampla diversidade de tecnologias disponíveis para o desenvolvimento de soluções IoT, acarreta alguns desafios significativos para os seus utilizadores. Um desses desafios é a seleção das tecnologias, que se torna numa tarefa complexa que requer tempo e conhecimentos técnicos. As plataformas IoT surgem com o propósito de facilitar a tarefa do utilizador no desenvolvimento e integração de soluções IoT. Estas plataformas fornecem uma infraestrutura composta por determinados recursos e componentes, que possibilitam a criação de uma camada intermediária entre os utilizadores e as suas soluções projetadas. No entanto, após um estudo realizado às plataformas IoT atualmente disponíveis no mercado, verificou-se uma considerável heterogeneidade entre as mesmas. Algumas plataformas oferecem apenas a infraestrutura necessária para interligar os utilizadores às suas soluções, enquanto outras, para além da infraestrutura, disponibilizam uma interface de utilizador (IU). Contudo, existe uma escassez de plataformas que ofereçam uma alternativa completa, que inclua hardware responsável a ser implementado no desenvolvimento da solução IoT. Face à diversidade de tecnologias e à ausência de opções complementares às plataformas existentes, neste trabalho desenvolveu-se um sistema IoT. Este sistema é composto por uma plataforma, que por sua vez, é constituída por uma IU e uma infraestrutura que conecta os utilizadores às suas soluções projetadas. Além da plataforma, é fornecido também por este sistema um dispositivo, capaz de auxiliar e simplificar o processo de desenvolvimento de soluções IoT aos utilizadores. O desenvolvimento do sistema IoT dividiu-se em dois blocos: plataforma e dispositivo, centrando-se mais no desenvolvimento do dispositivo, visto que é o componente de um sistema IoT menos explorado pelas opções existentes no mercado. Assim, além da plataforma, desenvolveu-se um dispositivo constituído por dois microcontroladores, denominados Master e Slave MCU. Cada um destes microcontroladores possui específicas responsabilidades: o Master é responsável pela conectividade com a plataforma desenvolvida, enquanto o Slave executa o programa ou, por outras palavras, a solução desenvolvida pelo utilizador. Além de dois microcontroladores, este dispositivo possui múltiplas tecnologias de comunicação, entre as quais: Wi-Fi, Bluetooth, LoRa, I2C, SPI e UART. A utilização de dois microcontroladores possibilitou a conceção de um dispositivo "Plug and Play" (PnP), eliminando quaisquer preocupações dos utilizadores relacionadas com a conexão dos seus dispositivos à plataforma e, permitindo-lhes assim, focarem-se exclusivamente no desenvolvimento da solução. A divisão de tarefas entre microcontroladores possibilita um melhor aproveitamento dos seus recursos, que por si só já são limitados. Esta abordagem também viabiliza o surgimento de novas contingências, como a implementação de um ambiente de multilinguagem de programação, permitindo ao utilizador programar o Slave utilizando diferentes linguagens compatíveis com a plataforma (C, Python, JavaScript e uma variante de C++). Com este modelo, os utilizadores podem conectar-se ao universo de desenvolvimento IoT, sem a necessidade de se preocuparem com questões relacionadas com a plataforma, uma vez que por si só, o sistema fornecido assume essa responsabilidade. Palavras-chave: Internet das Coisas (IoT), Sistema IoT, Plataforma, Interface de Programação de Aplicações (API), Interface de Utilizador (IU), Dispositivo, Microcontrolador, Utilizadores, Soluções IoT

The Internet of Things (IoT) has gained increasing importance in today's society, allowing the connection and communication between everyday objects, such as home appliances, vehicles, medical devices, and even entire cities, through the Internet. This technological advance has provided numerous advantages, from the automation of domestic tasks to the optimization of industrial processes. In recent years, the IoT market has seen significant growth, and it is expected that this trend will continue in the coming years. However, the rapid growth of this market, combined with the wide range of technologies available for the development of IoT solutions, poses some significant challenges for its users. One of these challenges is the selection of technologies, which becomes a complex task that requires time and technical knowledge. IoT platforms emerge with the purpose of facilitating the user's task in the development and integration of IoT solutions. These platforms provide an infrastructure consisting of specific resources and components, which enable the creation of an intermediate layer between users and their designed solutions. However, after a study of the IoT platforms currently available on the market, there was considerable heterogeneity between them. Some platforms only offer the necessary infrastructure to connect users to their solutions, while others, in addition to the infrastructure, provide a user interface. Nevertheless, there is a scarcity of platforms that provide a comprehensive solution encompassing responsible hardware to support the developed IoT solutions. Given the diversity of technologies and the lack of complementary options to existing platforms, this work developed an IoT system. This system consists of a platform, which, in turn, comprises a user interface and an infrastructure that connects users to their designed solutions. In addition to the platform, this system also provides a device capable of assisting and simplifying the process of developing IoT solutions for users. The development of the IoT system was divided into two blocks: platform and device, with a greater focus on the development of the device since it is the component of an IoT system that is less explored by the existing options in the market. Thus, in addition to the platform, a device consisting of two microcontrollers called the Master and Slave MCU, was developed. Each of these microcontrollers has specific responsibilities: the Master is responsible for connectivity with the developed platform, while the Slave executes the program or, in other words, the solution developed by the user. In addition to two microcontrollers, this device is compatible with multiple communication technologies, including Wi-Fi, Bluetooth, LoRa, I2C, SPI, and UART. The use of two microcontrollers enabled the design of a "Plug and Play" (PnP) device, eliminating any concerns users had with connecting their devices to the platform and thus allowing them to focus exclusively on developing the solution. The division of tasks between microcontrollers allows for better use of their resources, which are inherently limited. This approach also makes possible the emergence of new contingencies, such as the implementation of a multilingual programming environment, allowing the user to program the Slave using different languages compatible with the platform (C, Python, JavaScript, and a variant of C++). With this model, users can connect to the IoT development universe without worrying about platform-related issues, as the provided system itself takes on that responsibility. Keywords: Internet of Things (IoT), IoT System, Platform, Application Programming Interface (API), User Interface, Device, Microcontroller, Users, IoT Solutions