Uma metodologia baseada em PBL para ensino de IoT

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IEEE Communications Magazine • Novembro de 201920 0163-6804 / 19 / $ 25,00 © 2019 IEEE
UM BSTRACT
A Internet das Coisas tem dramaticamente
expandiu seu escopo de aplicações no último
poucos anos, alcançando todas as áreas da atividade humana
laços, da biologia à tecnologia e ciências sociais
cias. Da mesma forma, os aplicativos IoT são
tornando-se uma força motriz na economia,
desempenhando um papel central em muitos negócios. Esse
cenário apresenta desafios no ensino
e projetar aplicativos de IoT devido ao seu
natureza multidisciplinar inerente, com áreas de
conhecimentos que vão desde elétrica e computação
de engenharia para aqueles relacionados ao alvo
aplicação ao próprio negócio. Neste artigo,
apresentamos uma metodologia de ensino que se baseia
na abordagem de aprendizagem baseada em projetos e
faz uso de uma referência aberta de IoT de seis camadas
Modelo que cobre todos os aspectos de uma solução IoT
, desde sensores até a interface do usuário final. o
metodologia proposta concentra-se em um completo
compreensão do negócio por trás do aplicativo
cação e nas necessidades do usuário final. Depois de uma
abordagem de cima para baixo, da empresa ao
dispositivos necessários para coletar as informações necessárias
mação, a abordagem permite que os alunos tenham
uma visão completa de todos os componentes envolvidos em
qualquer aplicativo IoT. A metodologia proposta
Gy foi aplicado em pós-graduação e extensão
cursos na Universidade Estadual de Campinas e tem
provou ser extremamente útil.
I NTRODUÇÃO
A Internet das Coisas (IoT) é certamente uma realidade.
Suas aplicações, porém, não são tão difundidas
como previsto ou mesmo desejado, mas seu crescimento
potencial é bastante impressionante. Relatórios indicam
que bilhões de objetos serão conectados no
próximos anos, trocando informações e inter-
agindo com o meio ambiente de forma inteligente. Sobre
por outro lado, a formação de profissionais para
trabalhar com IoT continua sendo uma preocupação, principalmente devido a
a natureza multidisciplinar do próprio sistema.
A IoT envolve diversos campos do conhecimento, incluindo
ing computação, comunicações, energia, dados
análise, microeletrônica e outros. Adição-
aliado, os aplicativos IoT têm sido usados para resolver
problemas em uma variedade de áreas, desde biologia até
tecnologia para as ciências do comportamento humano. Nisso
sentido, é imperativo reconhecer qualquer aplicativo IoT
cação como parte de um plano de negócios e de um grande
sistema er, com regras e peculiaridades próprias.
Consequentemente, design apropriado de soluções de IoT
requer experiência em vários campos diferentes,
limitando seu uso generalizado.
O primeiro passo para ensinar IoT é rec-
reconhecer a sua natureza multidisciplinar. No outro
lado, as instituições educacionais enfrentam um adicional
desafio da seguinte forma. Um rápido levantamento da IoT
o mercado mostra um número incrível de disponíveis
tecnologias de vários fabricantes, cada
com seus próprios atributos e, na maioria das vezes, tai-
lored para uma aplicação bastante particular. O mul-
variedade de produtos e tecnologias torna o
processo de ensino intrincado, porque se houver alguma
sistema ular é adotado em um curso de IoT, seu escopo
torna-se limitado. Idealmente, os cursos de treinamento devem
preparar profissionais para desenvolver soluções em relação a
menos da tecnologia empregada.
Este artigo apresenta uma metodologia de ensino de IoT
ogy usando aprendizagem baseada em projeto (PBL) em conexão
ção com um ciclo trifásico:
• Compreendendo o negócio
• Definição de Requisitos
• Implementação
Esta metodologia de ensino, chamada de três
metodologia de fase (TPM), com foco na IoT
processo de design e visa abordar os problemas,
como apontado acima, no que diz respeito ao intrínseco
complexidade de uma solução IoT e a necessidade de
uma abordagem de design independente do fabricante.
Conforme discutido nas seções a seguir, um detalhado
compreensão do negócio por trás da intenção
A solução ed IoT é uma parte essencial do design
processo proposto no TPM. Além disso, o TPM
faz uso de um modelo de referência de código aberto para
Aplicativos IoT, que é independente do fabricante
dentar e modelar qualquer aplicativo IoT por meio de
seis camadas, das coisas que monitoram o ambiente
ronment (ou seja, sensores) para a interface até o fim
do utilizador.
O restante do artigo está organizado da seguinte forma
baixos. Revisamos brevemente os conceitos de PBL e
IoT. Apresentamos a estrutura do TPM e sua chave
conceitos. As três fases do TPM são totalmente
descrito. Apresentamos alguns detalhes sobre o aplicativo
cação da metodologia de ensino proposta em
cursos de pós-graduação na Universidade Estadual de Campinas,
Brasil. Por fim, concluímos o artigo.
B ASIC C ONCEITOS DE PBL E I O T
Nesta seção, revisamos os conceitos básicos de
a metodologia PBL e discutir alguns intrínsecos
características do campo IoT que motivam o
desenvolvimento do processo de aprendizagem apresentado
nesse trabalho.
P ROJECTO -B ASED L EARNING
PBL é uma metodologia de ensino ativa que moti-
incentiva os alunos a adquirir conhecimentos e habilidades por
Luiz Carlos Branquinho Caixeta Ferreira, Omar Carvalho Branquinho, Pedro Rinaldo Chaves, Paulo Cardieri, Fabiano Fruett e Michel Daoud Yacoub
EDUCAÇÃO EM TELECOMUNICAÇÃO E ENGENHARIA DE REDE
Os autores apresentam um
ensino trifásico
metodologia que depende
no baseado em projeto
abordagem de aprendizagem e
fazer uso de uma camada de seis
Referência aberta de IoT
Modelo que cobre todos
aspectos de uma solução IoT
ção, de sensores para o
interface do usuário final. o
metodologia proposta
concentra-se em um completo
compreensão do
negócios por trás do
aplicação e no
necessidades do usuário final.
Luiz Carlos Branquinho Caixeta Ferreira, Pedro Rinaldo Chaves, Paulo Cardieri, Fabiano Fruett e Michel Daoud Yacoub estão com a Universidade Estadual de Campinas;
Omar Carvalho Branquinho é da Pontifícia Universidade Católica de Campinas.
Identificador de Objeto Digital:
10.1109 / MCOM.001.1900242
Uma metodologia baseada em PBL para ensino de IoT
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resolver problemas do mundo real [1]. Os princípios
da metodologia PBL são baseadas na con
conceito de aprender fazendo, uma ideia esboçada pela primeira vez
por John Dewey em seu livro My Pedagogical Creed
[2], publicado em 1897. Grosso modo, PBL
integra know-how e prática, com ênfase
sis no desenvolvimento do pensamento crítico e
habilidades para resolver problemas. Assim, o aprendizado
processo é guiado pelos problemas apresentados a
alunos, que são levados a resolver problemas auton-
sinistramente. Nesse sentido, o papel do instrutor
neste processo torna-se fundamentalmente o de um
conselheiro [3].
O PBL trabalha em vários assuntos, envolvendo a concorrência
competências e competências de diversas áreas. Este particu-
característica lar é uma das principais razões para a sua
escolha a ser empregada no ensino de IoT.
Outra característica do PBL que justifica sua escolha
é o fato de que esta metodologia incentiva os estudos
dentes para desenvolver habilidades de autoaprendizagem. Este é um altamente
arte desejável ao trabalhar com mudanças rápidas
tecnologias, como computação, comp sem fio
comunicações e processamento de dados.
Em seu formato padrão, o PBL segue sete etapas
[1]:
• Nomenclatura: Palavras, expressões, técnicas
termos e conceitos relacionados ao problema
com o qual os alunos não estão familiarizados devem
ser identificados e explicados.
• Definição do problema: uma lista de desafios a serem
abordado durante a resolução do problema deve
Ser criado.
• Tempestade cerebral: uma discussão usando os alunos
vios conhecimentos e antecedentes são carregados
fora, com o objetivo de encontrar uma solução para o problema
à mão.
• Resumo: As principais lições do
discussão anterior são listados, relembrando o
problemas e hipóteses identificados e o
contribuições baseadas em conhecimentos anteriores,
com uma lista de prós e contras.• Formulação de objetivos de aprendizagem: Baseado
no conhecimento prévio dos alunos, uma lista de
pontos obscuros são criados, ou seja, tópicos que
deve ser estudado com mais detalhes.
• Pesquisa de informações: As fontes do
o conhecimento necessário para resolver o problema é
encontrado.
• Relatórios, discussão e solução: Todos os
peças de informação recolhidas para resolver o
problema são integrados.
Deve ser mencionado que o PBL em IoT ensina
ing, conforme apresentado neste trabalho, faz uso de sua
princípios muito básicos, então nem todas as etapas listam
ed acima se aplicam. O atributo principal emprestado
da metodologia PBL tradicional é o uso
da definição do problema como o ponto de partida de
o desenvolvimento do projeto. Nesse sentido, os sete
as etapas são substituídas por três fases. Os detalhes de
a metodologia de ensino proposta está presente-
ed mais tarde.
(Leitores interessados em mais informações sobre
ensino de experimentos baseados em PBL e ativos
metodologias de ensino no contexto da IoT são
referido a [4, 5].)
I NTERNET DE T HINGS : DESAFIOS E I SSUES
As tecnologias IoT permitem que coisas ou dispositivos ajam
de forma inteligente e colaborativa [6]. Na IoT con
texto, as coisas não tomam mais decisões individualmente,
mas eles fazem de forma ativa e onipresente
citar e colaborar a fim de realizar críticas
decisões calóricas [4]. Uma tecnologia IoT, junto com
ciber-sistemas, computação em nuvem e máquina
aprendizagem, forma a base para o chamado “Indus-
tente 4,0 ”[6].
Apesar dos avanços notáveis que
feito nos últimos anos, a IoT ainda enfrenta muitos
desafios para se tornar uma tecnologia difundida
gy. Um desses desafios está relacionado à falta
de padrões para o design e implementação
de aplicativos IoT, combinados com a infinidade
de tecnologias e produtos de vários
fabricantes. Este cenário cria barreiras para
sua ampla disseminação, particularmente em pequenas
às médias empresas. Um negócio típico em
este mercado não possui os recursos financeiros necessários
recursos para adquirir as soluções oferecidas por larg-
fabricantes de IoT, e muitas vezes não tem pessoal
com o conhecimento especializado necessário para criar
soluções alternativas de IoT com custos mais baixos.
Como já mencionado, outro problema crítico
neste cenário diz respeito à formação de profes-
profissionais. Várias soluções de IoT são oferecidas, cada uma
aquele que se concentra em uma aplicação específica e com
características distintas. Essa variedade de produtos atrapalha
a formação de profissionais desde nenhuma metodologia
ogy permite o uso dessas soluções dentro de um
contexto padronizado e sistemático.
Este cenário motivou o desenvolvimento
da metodologia de ensino proposta neste artigo
cle e apresentados na seção seguinte.
PBL PARA I O T EACHING :
T HE t ETRP -P HASE M ETODOLOGIA
O ensino da IoT atraiu uma grande quantidade de
atenção nos últimos anos devido à peculiaridade
cidades e natureza multidisciplinar dos sistemas
envolvido [4, 5, 7]. O TPM proposto aqui difere
de outras metodologias encontradas na literatura.
Esta metodologia é baseada em uma tecnologia
modelo de referência de IoT de código aberto dependente.
Com o TPM, os alunos são provocados a questionar e
propor idéias sobre um projeto escolhido. Ao invés de
usando a abordagem clássica do PBL, o TPM segue
etapas bem definidas como um guia para projetar, especificar,
e implementar soluções de IoT em geral. Esses
três etapas são:
1. Compreendendo o negócio
2. Definição de Requisitos
3. Implementação
TPM é baseado na premissa de que existe
sempre um problema bem definido a ser abordado
por uma solução IoT. Os motivos de uma empresa
para buscar uma solução baseada em IoT inclui adicionar
valor para um produto, melhorando um produto existente
cesso, oferecendo um novo serviço, entre outros.
Portanto, a compreensão do negócio
relacionado ao problema a ser resolvido pode pro-
vide orientações importantes ao projetar um
Solução IoT. O processo de compreensão do
O negócio é a primeira fase do método TPM-
ologia e visa coletar as necessidades do cliente
e expectativas. Esta etapa deve preceder qualquer
escolha tecnológica.
Nesse sentido, o papel do especialista emergiu
está no processo. O especialista é um profissional
com conhecimento da empresa que está respondendo
sível por fornecer aos designers detalhes
As razões para um
empresa para buscar um
solução baseada em IoT
incluem agregar valor a
um produto, melhorando
um processo existente, e
oferecendo um novo serviço,
entre outros. Lá-
diante, o entendimento
dos negócios relacionados
para o problema ser
resolvido pode fornecer
orientações importantes
ao projetar um IoT
solução.
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informações sobre o problema a ser resolvido. Para
exemplo, se o negócio for na área de agricultura
ture, um profissional nesta área é obrigado a
produzir suporte teórico e prático para o
escolhas a serem feitas no desenvolvimento do
Solução IoT. Este especialista pode ser alguém
da própria empresa ou de outra pessoa contratada
para este propósito.
Após a conexão entre negócios e
as coisas são compreendidas, os requisitos para o
solução pode ser definida, com base nos objetivos
estabelecido na fase anterior. Este processo é
realizado na fase de Definição de Requisitos
quando os componentes do sistema IoT são
definido também, embora nenhuma escolha de tecnologia
é feito ainda.
A última fase do TPM é a implementação
fase, quando as tecnologias que melhor atendem a
especificações definidas nas etapas anteriores são
investigado e a solução é implementada.
Essas três fases são iterativas e incrementais
tal (Fig. 1), de modo que durante a vida útil da solução,
as três etapas podem ser repetidas para conhecer novos
demandas de negócios ou para corrigir falhas.
Nas seções a seguir, as três fases de
TPM são descritos no contexto do ensino
processo.
L NDERSTANDING A B EGÓCIOS : P HASE 1
T HE B EGÓCIOS
O objetivo do TPM é conectar a empresa a
coisas por meio da IoT, usando regras de negócios e
conhecimento especializado, conforme ilustrado na Fig. 2.
Conforme discutido na seção anterior, o
detalhes da empresa associada à IoT
a aplicação em mente pode fornecer as diretrizes
do projeto, identificando prioridades, operação
todas as condições, e o tipo e formato do
informações a serem fornecidas ao cliente por
o aplicativo IoT.
Nesta fase, os alunos são apresentados ao
problema a ser resolvido, quando eles são encorajados
com idade para levantar questões sobre isso e esperam-
ed para entender as demandas da IoT
aplicativo. Esta etapa compreende o principal
Característica PBL emprestada pela TPM desde o estudo
supostamente amassados devem construir conhecimento a partir de
a apresentação do problema até a solução
especificação.
O tipo de negócio por trás do aplicativo IoT
ção varia de projeto para projeto, mesmo quando
lidar com projetos na mesma área de atividade,
pois cada projeto pode ter suas peculiaridades. Lá-
portanto, a fase de negócios é de suma importância
tância. Se não for bem delineado, a solução final
pode não satisfazer o usuário final.
T HE T hings
As coisas são entidades necessárias para alcançar o objetivo
poses do negócio. Essas coisas podem ser fisi-
entidades físicas, como temperatura, umidade e
luminosidade, ou dispositivos eletrônicos (por exemplo, relés e
máquinas fotográficas). Nesta etapa da metodologia, estu-
amassados devem definir o tipo de coisas para
ser empregado na solução IoT, e esta definição
ção irá guiar os processos de especificação e
implementação dos sensores / atuadores a serem
usado no projeto.
T HE S PECIALIST
Como já mencionado, a proposta de ensino
metodologia requer o envolvimento de especialistas
pessoal qualificado, que fornecerá informações para
apoiar os processos de tomada de decisão encontrados em
diferentes fases da metodologia. Este profes-
profissional pode ser alguém diretamente conectado ao
empresa ou contratado explicitamente para esse fim.
T HE B EGÓCIOS R ULES
As regrasde negócios são premissas e restrições
aplicado à operação de qualquer negócio. Lá-
portanto, essas regras devem ser levadas em consideração
em todo o processo de desenvolvimento da solução.
As regras de negócios podem ser determinadas por análise
o cenário de destino em que a solução IoT
será empregado. Também pode ser necessário
estudar questões regulatórias relacionadas aos respectivos
atividade.
No processo de aprendizado sobre o negócio
regras, as seguintes questões devem ser consideradas:
• A relevância da solução IoT no negócio
processo de ness e o respectivo valor acrescentado
• O fluxo de execução (entradas, processamento e
resultados esperados)
Figura 1. A metodologia trifásica.
Entendimento
o negócio
Implementação
Requisitos
Definição
Figura 2. As conexões de negócios.
A Internet
das coisas
O negócio
Regras
Especialista
O negócio
Coisas
As regras de negócios são
premissas e restrições
ções aplicadas ao
operação de qualquer negócio
ness. Portanto, estes
regras devem ser tomadas
em conta durante todo
a solução desenvolver-
processo de otimização. o
regras de negócios podem ser
determinado por análise
o cenário de destino
em que a solução IoT
ção será empregada. Isto
também pode ser necessário
estudar regulatório
questões relacionadas ao
respectiva atividade.
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O desenvolvimento de uma solução IoT começa
com uma compreensão clara das regras de negócios,
que deve ser consistente com as necessidades do
empresa.
R EQUISITOS D DEFINIÇÃO : P HASE dois
Durante a fase de Definição de Requisitos, estu-
os dentes são encorajados a discutir o problema,
para definir os requisitos da solução IoT,
e documentar as especificações correspondentes
do sistema a ser implementado. TPM trata com
o design de soluções que conectam o negócio
para as coisas. É baseado em uma abordagem de cima para baixo,
começando no nível de negócios e fluindo para baixo em todos
níveis, na medida em que aquele onde os sensores e atuam
tors (coisas) estão localizados. Esta abordagem de cima para baixo
é baseado em um modelo de referência aberta de IoT de seis níveis
proposto em [8], mostrado na Fig. 3.
Nesse sentido, a discussão realizada neste
fase leva à definição das tarefas a serem
realizada em cada nível do Modelo de Referência.
Deve-se notar que esta discussão não
envolvem qualquer escolha de tecnologia, mas apenas como o
solução em mente deve funcionar. O uso de um PBL-
metodologia baseada motiva os alunos a virem
com novas ideias e desenvolver habilidades para trabalhar em
um ambiente de equipe, essencial para os profissionais de
qualquer campo hoje em dia.
Na seção seguinte, apresentamos um breve
descrição de cada nível do IoT Open Refer-
modelo de referência, conforme mostrado na Fig. 3.
G EVEL 6: D isplay
O nível de exibição cobre a maneira como as informações são
a ser representado para auxiliar o usuário final na decisão
processo de tomada de decisão. Esta informação pode ser pré-
enviado, por exemplo, por meio de tabelas, gráficos e
números. Emergência e outras ações necessárias
para o negócio são sinalizados e tratados neste
nível.
G EVEL 5: Uma BSTRACTION
No nível de abstração, os dados armazenados são usados
para transformar informação em conhecimento. É em
este nível que a experiência de um especialista é necessária.
Alunos, com o auxílio do especialista, ana-
lise o cenário e proponha uma maneira apropriada
para realizar a abstração do disponível
em formação. Os alunos podem fazer uso de técnicas
incluindo inteligência artificial, mineração de dados e
aprendizado de máquina, entre outros.
G EVEL 4: S cumulação
O nível de armazenamento define como os dados coletados
deve ser armazenado. O armazenamento pode ser na nuvem,
no sistema do cliente, ou em ambos. A decisão
em relação ao armazenamento de dados depende de questões como
o nível necessário de disponibilidade e segurança e
a quantidade de dados. Neste ponto, os alunos estão
solicitado a discutir questões relacionadas à redundância,
segurança de dados e local de armazenamento. Estas questões
pode exigir atenção especial se o aplicativo IoT
em mente envolve uma grande quantidade de dados.
G EVEL 3: B ORDEM
Este nível de fronteira define as características de
o elemento que conecta a solução IoT ao
Internet, o chamado elemento de fronteira . Este elemento
mento opera na rede local IoT e
a Internet, fornecendo a conexão entre
esses dois mundos. Portanto, o elemento de fronteira
deve estar sempre presente no sistema. Além disso, este
elemento pode ser necessário para realizar a rede
funções usando estratégias mais avançadas, incluindo
rede definida por software e rede
virtualização de funções. Nesse sentido, deveria ser
enfatizou para os alunos que o nível de fronteira
abrange itens relacionados à infraestrutura de rede
tura da solução IoT, que pode ser responsável por um
grande parte do custo operacional. Estudantes são
esperado para especificar o elemento de fronteira, levando
em conta questões como capacidade de processamento,
armazenamento, taxa de transmissão e custos.
G EVEL 2: C onectividade
Este nível de conectividade lida com a conexão
entre as coisas e o elemento de fronteira. Esse
a conexão pode ser fornecida através de wireless ou
links com fio ou por uma solução híbrida. Tecnologia sem fio
tecnologia é normalmente empregada no contexto de IoT,
principalmente quando um grande número de sensores / atuadores
tors são distribuídos em uma grande área. Contudo,
a decisão sobre o tipo de tecnologia a ser
empregado deve levar em consideração vários outros
questões, incluindo custos, coisas a serem monitoradas /
controlado, ambiente operacional, necessário
capacidade e confiabilidade do sistema de transmissão,
entre outros. Os alunos devem discutir tudo isso
questões à luz das necessidades e exigências do projeto
mentos a fim de definir a tecnologia a ser
adotado.
G EVEL 1: S ENSOR N ODE / A CTUATOR
O nível do Nó Sensor / Atuador diz respeito ao
dispositivos responsáveis pela coleta de dados ou atuação
sobre o meio ambiente. Neste ponto, os alunos
decidir sobre os sensores ou atuadores a serem usados,
com base no tipo de dados a serem coletados ou em
Figura 3. O modelo de referência aberta da IoT.
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a ação a ser realizada. Normalmente, os dados brutos col-
detectado por sensores deve ser processado para extrair
informações úteis ou para remover redundâncias. Sev-
várias estratégias de processamento de dados podem ser empregadas,
Incluindo:
• Processamento local, para reduzir a quantidade de
dados transmitidos
• Computação em nuvem, para uso intensivo de recursos
formulários
• Fog computing, para aplicativos que consomem muitos recursos
cátions com requisitos de latência rigorosos
A primeira estratégia é implementada neste Nível 1,
enquanto os dois últimos são normalmente realizados em
o elemento de fronteira ou além. Outro importante
questão a ser discutida e decidida em relação ao
grau de autonomia dos dispositivos. Por exemplo,
os dispositivos podem ser configurados por entidades locais
ed em outros níveis, a fim de ajustar suas operações
de acordo com as decisões tomadas nesses níveis.
Alternativamente, os dispositivos podem operar de forma autônoma,
quando sua operação não depende do
decisões tomadas em outros níveis.
A discussão realizada dentro de cada nível
deve levar a um documento que descreve o requisito
mentos e especificações de todos os dispositivos e entidades
do sistema, que irá orientar a implementação
fase de instalação, discutida a seguir.
I MPLEMENTAÇÃO : FASE 3
Assim que a fase de especificação do sistema for concluída -
ed, as escolhas tecnológicas são feitas e o
a implementação começa. Os alunos começam avaliando
as opções tecnológicas disponíveis no mercado
e escolher aqueles que melhor se enquadram nas especificações
ção estabelecida na fase anterior.
Uma abordagem de baixo para cima é usada na implementação
fase de mentação, uma vez que é necessário primeiro
definircomo as coisas são monitoradas / controladas e
como essas informações chegam à empresa,
seguindo as especificações definidas no anterior
Estágio. Assim, a implementação começa no nível
1 (sensor / atuador), através dos níveis superiores,
até chegar ao negócio. A implementação
fase, em seguida, segue a direção oposta ao
Fase de requisitos.
Nas próximas seções, revisitaremos todos os seis níveis de
o IoT Open Reference Model, agora do
perspectiva da fase de Implementação.
Para uma melhor compreensão dos Implemen-
fase de implementação, ilustramos a implementação
processo usando um desenvolvimento de IoT de código aberto
kit especialmente projetado e construído por alguns dos
autores para fins de ensino. Este desenvolvimento
kit, mostrado na Fig. 4 e apresentado em detalhes no
nas próximas seções, segue o Modelo de Referência IoT
discutido anteriormente e foi empregado na graduação
cursos de atualização e extensão oferecidos na Universidade
cidade de Campinas, Brasil.
G EVEL 1: S ENSOR N ODE / A CTUATOR
O kit de desenvolvimento contém dois nós locais, um
nó afundando e um minicomputador equipado com
uma tela, um mouse e um teclado.
Os nós locais empregam o desenvolvimento DK107
placa de avaliação [9], juntamente com uma comunicação
módulo, denotado BE900, que é implementado
usando um microcontrolador ATMEL ATmega328 e
um transceptor de RF Texas Instruments CC1101.
Os alunos são instruídos sobre como usar o
kit de desenvolvimento por meio de experimentos práticos.
Além disso, eles estão motivados para pesquisar produtos
disponíveis no mercado que podem ser usados como locais
nós. Arduino é uma opção que se tornou
atraente, oferecendo, por exemplo, o Arduino IoT
Cloud [10], que é um conjunto de ferramentas para a criação
Aplicativos IoT. Intel tem uma solução baseada em Arduino
, chamada Arduino Create [11], que permite
prototipagem simplificada de aplicativos comerciais
baseado na arquitetura Intel. Sigfox tem um conjunto de
sensores, chamados de Sensor IoT, que são preparados
para transmissão para a nuvem através do Sigfox
rede [12]. Ao analisar esses produtos de
o ponto de vista do Modelo de Referência, stu-
amassados podem identificar facilmente onde e como usar
-los dentro de uma solução IoT.
Muitos produtos oferecem um serviço IoT, mas a maioria
deles funcionam apenas em alguns níveis do Refer-
modelo de referência, deixando os outros níveis para serem implementados
mentado usando outras tecnologias. Fornecendo
alunos com habilidades para avaliar os produtos IoT
encontrados no mercado, a partir da perspectiva do
Modelo de referência, é um alvo primordial da
metodologia de ensino aqui proposta, como estas
habilidades os ajudam a identificar a tecnologia mais adequada
para o projeto em questão.
G EVEL 2: C onectividade
O kit de desenvolvimento de IoT de código aberto usa o
Transceptor CC1101 com a comunidade Radiuino
protocolo catiônico [9].
Os alunos podem realizar vários experimentos usando
este transceptor, a fim de ter uma melhor compreensão
posição dos mecanismos e técnicas
envolvidos em comunicações sem fio, como
ganhos de antena, ambiente de propagação, módulo
formato de instalação e taxa de transmissão de bits, e seus
efeitos no desempenho do sistema. O instrutor
deve guiar os alunos por meio desses experimentos
e apontar os principais pontos de cada um.
Os alunos também devem ser apresentados a alter-
soluções nativas para conectividade no contexto de
IoT disponível no mercado, como LoRa, Sigfox,
Bluetooth, WiFi e LTE.
G EVEL 3: B ORDEM
O kit IoT de código aberto emprega um Raspberry Pi
computador carregado com um sistema operacional baseado em Linux
sistema, com scripts escritos em Python para automatizar
processos, e Zabbix [13] para gerenciamento de dados
Figura 4. O kit de desenvolvimento de IoT de código aberto usado para ilustrar a apresentação
da fase de implementação.
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e armazenamento. Os alunos são instruídos sobre como isso
elemento de borda funciona executando testes e tentando
configurações diferentes. Os alunos também devem dis-
cussa os protocolos usados para conectar a rede IoT-
trabalhar para a Internet, como MQTT, CoAP, REST,
e soquetes de web. Esses protocolos são responsáveis
capaz de se comunicar com o protocolo TCP / IP
pilha.
Os alunos devem pesquisar combinações alternativas
ções de hardware e software que podem reproduzir
o papel do elemento de borda. A plataforma Arduino
formulário, por exemplo, disponibilizou o Ardu-
solução ino Pro Gateway para Lora, que reproduz
o papel de um elemento de borda com transmissão
suporte usando Lora. O uso de Raspberry Pi para
esta função foi bem documentada no
literatura, pois há uma ampla gama de possibilidades
laços para sistemas operacionais e comunicação
interfaces.
G EVEL 4: S cumulação
Neste nível, o Zabbix é usado novamente, agora junto com
um banco de dados MySQL. Os alunos devem testar diferentes
configurações, incluindo armazenamento local, armazenamento em nuvem
idade e uma solução híbrida. Como já mencionado,
questões como custo, volume de dados, redundância,
e o nível de segurança exigido deve ser levado em
conta ao projetar o sistema de armazenamento.
Existem várias opções de armazenamento no
nuvem, como Tago [14] e ThingSpeak [15],
que oferecem plataformas online para gerenciamento e
armazenamento de dados. Uma alternativa possível é o uso de um
servidor de armazenamento com um banco de dados convencional man-
sistema de gerenciamento, como MySQL, Oracle e
Bases de dados de séries temporais.
G EVEL 5: Uma BSTRACTION
No nível 5, os alunos experimentam dados
abstração, extraindo informações úteis
a partir dos dados brutos coletados por sensores. No
kit de desenvolvimento de IoT de código aberto, Zabbix com-
combinado com o plugin Grafana é usado para o
abstração. As plataformas Tago e ThingSpeak
oferecem essa funcionalidade também. Há também o
possibilidade de usar outra linguagem de programação-
es para processamento de dados mais especializado, como
como Phyton, Matlab, R e Scilab. Os alunos podem
também tente outras estratégias de tratamento de dados, como
como inteligência artificial, aprendizado de máquina e
mineração de dados.
G EVEL 6: D isplay
Zabbix é mais uma vez usado, agora para exibir o
informações extraídas de dados por meio de gráficos
e tabelas. Como mencionado antes, diferentes estratégias
egies para exibir as informações podem ser usados,
incluindo alarmes e gráficos mostrando a correlação
entre diferentes dados.
UMA APLICAÇÃO DA M ETODOLOGIA
A abordagem TPM foi aplicada na graduação
cursos de alimentação (60 horas) e extensão (32 horas)
oferecido na Escola de Eletricidade e Informática
Engenharia e Instituto de Computação, ambos
na Universidade Estadual de Campinas. Alunos matriculados
nestes cursos foram divididos em grupos e
solicitado a propor e implementar aplicativos de IoT
ções seguindo a estratégia TPM. Instrutores com
experiência em sensores, comunicações sem fio,
e o gerenciamento de rede introduziu os principais tópicos
em seus campos e estavam disponíveis durante as aulas
para orientar as discussões propostas na estratégia.
Os alunos também foram incentivados a buscar ajuda
de profissionais que trabalham na área de con
projeto IoT em questão, que desempenharia o papel de
o especialista conforme previsto na estratégia. Um num-
vários projetos foram propostos em várias áreas de
aplicações, incluindo ruído audível do ambiente
monitoramento, monitoramento de energia solar, controle de energia
soma em residências, comprimento da fila do restaurante
monitoramento e assim por diante. A metodologia proposta
ogy foi então aplicada com sucesso a todos os projetos,
e todos eles estavam totalmente funcionais no final do
o curso.
Os alunos foram então convidados a responder a um
questionário projetado para avaliar a eficácia
da abordagem TPM e para avaliar o
experiência dos alunos ao aplicar o método-
ologia e o uso do kit de desenvolvimento. o
principais questões e um resumo dos resultados
são apresentados na Tabela1. (Cerca de 60 alunos
respondeu ao questionário.)
Na Tabela 1, 1 e 5 correspondem ao menor e
pontuações mais altas, respectivamente. Como pode ser visto em
a parte superior e inferior da mesa, o grande
a maioria do público não teve contato
Tabela 1. Questionário aplicado aos alunos.
Perguntas sim Não
Você teve alguma experiência anterior com IoT? 35% 65%
Ao propor o projeto inicial, você perdeu uma metodologia a seguir? 70% 30%
Você já conhecia alguma metodologia para ensino / desenvolvimento de soluções de IoT? 0% 100%
O curso atingiu seu objetivo? 97% 3%
Avaliação - Classifique 1 2 3 4 5
A facilidade de compreensão da metodologia 0% 0% 5% 30% 65%
A eficácia da metodologia para ajudar a projetar seu projeto 0% 0% 5% 40% 55%
O nível de dificuldade na aplicação da metodologia 5% 20% 20% 30% 25%
A eficácia da metodologia em ajudar a entender a IoT 0% 0% 5% 35% 60%
Sua vontade de usar esta metodologia novamente em trabalhos futuros 0% 0% 15% 15% 70%
A utilidade dos recursos de ensino (experimentos práticos, kit de desenvolvimento de IoT) 0% 0% 7% 23% 70%
Uma série de projetos
foram propostas em vários
todas as áreas de aplicações,
incluindo meio ambiente
ruído audível mon-
itoring, energia solar
monitoramento, energia
consumo em casa
espera, fila do restaurante
monitoramento de comprimento, etc.
O método proposto
ologia foi então
aplicado com sucesso a
todos os projetos e todos os
eles estavam totalmente funcionais
internacional no final do
curso.
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IEEE Communications Magazine • Novembro de 201926
seja o que for com o assunto IoT. Os resultados mostram
que o uso da metodologia facilitou muito
o cumprimento da meta do curso, que
era ter os aplicativos IoT totalmente funcionais
no final do curso. Na verdade, isso também é atestado
ed pelos próprios alunos que quase unani-
amplamente aprovado quanto ao uso da metodologia
bem como o uso do desenvolvimento proposto
kit. Outra observação importante extraída do
tabela é que os alunos mostraram sua vontade
para usar a metodologia proposta em seu futuro
trabalhar.
Mesmo que nenhuma pesquisa formal entre
instrutores foi realizada, era um comum
entendimento entre eles que a estratégia TPM
egy oferece aos alunos um sistema mais estruturado e
abordagem temática para implementar uma solução IoT,
com base em uma visão mais ampla do contexto dentro
em que a solução IoT deve ser inserida. Esse
uma visão mais ampla mostrou-se muito benéfica
durante o processo de seleção tecnológica
soluções. Os instrutores também notaram que os
metodologia proposta incentivou os alunos a
participar das discussões em classe, que tiveram um contato direto
impacto na qualidade dos seus relatórios finais. o
fato de que a metodologia divide o projeto
design em três fases distintas conduz diretamente
a este envolvimento de classe completo e completo
uma vez que cada fase exige sua própria consideração
ações e discussões.
Como acompanhamento dos cursos, os alunos
foram motivados a prosseguir com uma visão
em direção ao empreendedorismo tendo seus projetos como
produtos principais.
C ONCLUSÃO
Este artigo apresenta uma metodologia baseada em PBL
para o ensino de IoT seguindo uma metodologia trifásica
odologia para design de IoT. Esta metodologia de design
depende de três fases bem estabelecidas, a saber
Compreendendo o Negócio, Definição de Requisitos
nição e implementação. O código-fonte aberto da IoT
Modelo de referência foi utilizado para orientar a proposta.
A metodologia proposta foi aplicada
nos cursos de graduação e extensão da Univer-
cidade de Campinas, e levantamento realizado entre
os participantes mostraram a eficácia do meth-
odologia. Reconhecemos que este é apenas um pré-
avaliação liminar, mas sugere que é uma avaliação promissora
metodologia. Claro, apenas completo e fur-
sua aplicação e por diferentes jogadores irão
atestar a eficácia do método proposto
odologia.
A fim de apoiar a aplicação do pro-
metodologia de ensino proposta, uma IoT de código aberto
kit de desenvolvimento foi criado, que também foi
testado nesses cursos. A proposta é promissora
uma vez que emprega soluções não proprietárias que atendem
os vários níveis do Modelo de Referência e
pode ser um padrão para o ensino de IoT.
O trabalho futuro se concentrará no desenvolvimento de
uma estrutura de software para ser usada junto com
o kit IoT para auxiliar no desenvolvimento do TPM.
UM RECONHECIMENTO
Este trabalho foi financiado em parte pelo Coorde-
nação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível
Superior - Brasil (CAPES) - Código Financeiro 001.
R EFERÊNCIAS
[1] M. Dias e L. Brantley-Dias, “Setting the Standard for
Aprendizagem baseada em projetos: uma abordagem comprovada para o rigor
Instrução em sala de aula, ” Interdisciplinar J. Problem-Based
Learning , vol. 11, não. 2, 2017, p. 14
[2] J. Dewey, My Pedagogic Creed , Andesite Press, 2015, origi-
finalmente publicado em 1897.
[3] S. Bell, “Project-Based Learning for the 21st Century: Skills
for the Future ”, The Clearing House , vol. 83, nº 2, 2010,
pp. 39-43
[4] K. Srinivasa e B. Sowmya, "Project Based Learning for
Internet das coisas e análise de dados: relato de experiência de
Learning from et601x, ” 2016 IEEE 8th Int'l. Conf. Tecnologia
for Education , 2016, pp. 262-63.
[5] J. Hormigo e A. Rodriguez, “Project Based Learning on
Industrial Informatics: Applying IoT to Urban Garden, ” 2018
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cc / 2019/02/06 / announcing-the-arduino-iot-cloud-public-be-
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pt-br / iot / arduino-create, acessado em 13 de março de 2019.
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[15] ThingSpeak, 2014; https://thingspeak.com, acessado em 13
Março de 2019.
B IOGRAFIAS
L uiz C arLos B ranquinho C aixeta F erreira (carlinhocaixeta @
gmail.com) é professor do Instituto Federal de Educação,
Ciência e Tecnologia do Sul de Minas Gerais, Brasil.
Suas áreas de interesse incluem IoT e middleware para IoT.
o mar C arvaLho B ranquinho (omar.branquinho@gmail.com) é um
Ph.D. e um consultor especialista na área de IoT. Suas áreas de inter-
est incluem planejamento e desenvolvimento de IoT. Ele desenvolveu um
plataforma RSSF de código aberto para ensino e pesquisa (Radiuino).
P edro r inaLdo C haves (pedrochaves@hotmail.co.uk) foi
pesquisando na área de IoT enquanto fazia seu Ph.D. licenciatura em
Engenharia Elétrica na Universidade de Campinas, Brasil.
P auLo C ardieri (cardieri@decom.unicamp.br) é Ph.D. e um
professor associado da Escola de Engenharia Elétrica e da Computação
neering, Universidade de Campinas. Seus atuais interesses de pesquisa
incluem redes de sensores e modelagem de sistemas de comunicação.
F aBiano F ruett F aBiano F ruett (fabiano@unicamp.br) é doutor.
e um professor associado na Escola de Elétrica e Com-
Engenharia de Computadores, Universidade Estadual de Campinas. Sua pesquisa atual
interesses incluem sistemas nanoeletromecânicos e microelec-
sensores tronic.
m iCheL d aoud Y aCouB (michel@decom.fee.unicam.br) é um
Ph.D. e um professor titular na Escola de Elétrica e Com-
Engenharia de Computação, UniversidadeEstadual de Campinas. Sua pesquisa geral
interesses incluem comunicações sem fio.
A fim de apoiar
a aplicação do
ensino proposto
metodologia, um aberto
desenvolvimento de IoT de origem
kit foi criado, que
também foi testado
nesses cursos. o
proposta é promissora
uma vez que emprega não-pro-
soluções privadas que
atender os vários níveis
do modelo de referência
e pode ser um padrão
para o ensino de IoT.