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Internet das Coisas (IoT): Uma analise de´ aplicabilidade
Conference Paper · June 2015
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Lucas Egidio
University of Campinas
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	1 WSEE - WORKSHOP DE SISTEMAS EMBARCADOS DA ES670, 10 DE JULHO DE 2015
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Internet das Coisas (IoT): Uma analise´ de aplicabilidade
Lucas EGIDIO, FEM, Unicamp, Tiago UKEI, FEM, Unicamp,
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Resumo—O paradigma de Internet das Coisas (IoT) esta´ ganhando cada dia mais forc¸a entre os experts da area´ de sistemas embarcados e computac¸ao˜ ub´ıqua. Este trabalho apresenta uma analise´ do panorama atual, dos poss´ıveis caminhos para os quais as pesquisas convergirao˜ e as aplicabilidades em cada area´ da sociedade, assim como os impactos das mudanc¸as que este novo conceito acarretara´. De maneira mais superficial, cr´ıticas sao˜ apresentadas e alguns pontos em aberto sao˜ discutidos. Por fim e´ realizado um estudo de caso, no qual uma aplicac¸ao˜ de domotica´ e´ utilizada para ilustrar a simplicidade com a qual este tipo de sistema pode ser implementado nos dias de hoje, bem como suas vulnerabilidades.
Index Terms—IoT, internet of things, RFID, WSN, ubiquitous computing.
INTRODUC¸AO˜
NOS ultimos´ anos, a maneira como o ser humano interage com o ambiente ao seu redor e a frequenciaˆ com a qual ele e´ bombardeado por informac¸oes˜ foram drasticamente
afetadas pelos avanc¸os tecnologicos´ na area´ de produc¸ao˜ de dispositivos semi-condutores e circuitos integrados. Aliados a` relativa queda no custo de produc¸ao˜ de transdutores e trans-ceptores de sinais, tais avanc¸os tornaram poss´ıvel embarcar complexos circuitos eletronicosˆ em aparelhos nas maos˜ de consumidores na proporc¸ao˜ de 135 para cada 100 pessoas no Brasil, segundo a ANATEL [1], em 2014.
Este atual panorama movimentou diversos investimentos vindos do 3o setor dirigidos a` Internet em diversas areas,´ como propaganda e marketing, vendas/compras, prestac¸ao˜ de servic¸os, entre outras. Tal interesse e´ compreens´ıvel uma vez que, dentre outros motivos, a Internet e´ um meio de comunicac¸ao˜ que alia interesses e imagens de grandes marcas
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ao conforto e as` necessidades dos internautas. E valido´ entao˜ suspeitar da existenciaˆ de uma tendenciaˆ de investimentos em areas´ que facilitem as obrigac¸oes˜ e reduzam as preocupac¸oes˜ das pessoas no cotidiano em geral, como a domotica,´ as compras automaticas,´ a navegac¸ao˜ autonoma,ˆ dentre outros conceitos que existem atualmente. Alem´ disso, e´ de interesse geral da humanidade o desenvolvimento de sistemas que contribuam para a economia inteligente de recursos e evitem desperd´ıcios.
O termo Internet das Coisas, ou IoT (do ingles,ˆ Internet of Things) foi introduzido pela primeira vez por Kevin Ashton, co-fundador dos laboratorios´ Auto-ID, para descrever um sistema onde a Internet esta´ conectada ao mundo f´ısico atraves´
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Figura 1. Densidade de busca do termo ’IoT’ no Google[11].
de computac¸ao˜ ub´ıqua1 e redes de sensores (WSN)2 �� HYPERLINK \l "page6" [3]. Como pode ser visto na Figura 1 o interesse pela area´
esta´ em constante crescimento. Segundo a Gartner [10], em 2020 haverao˜ mais de 26 bilhoes˜ de dispositivos conectados a` internet, excluindo tablets, smartphones e computadores pessoais. Ainda usando dados da Gartner podemos, atraves´ da Figura I-A, comparar o rapido´ avanc¸o na area,´ de 2012 ate´ 2014.
Estes dados nos dao˜ ideia da dimensao˜ do que este conceito nos reserva no futuro.
Um dos motivos para que o termo IoT fosse tao˜ bem aceito pela comunidade cient´ıfica foi o sucesso em definir um con-ceito que tanto desenvolvedores, investidores e consumidores compreendem. O fato de “coisas” do nosso cotidiano, como telefones, relogios,´ carros e TVs, estarem comec¸ando a ter acesso a` rede dos computadores nos faz enxergar que a era do Jetsons3 esta´ cada dia mais proxima´ [5].
A. Caracter´ısticas diferenciais
Para listar alguns dos conceitos agregadores de valor que a IoTinsere no mundo, como em [9], citaremos os 7 principais value drives.
Acionamento por proximidade manual simplificado (Ex.: Identificac¸ao˜ em check outs, controle de acesso de predios,´ identificac¸ao˜ de animais, etc.)
Acionamento por proximidade automatico´ (Ex.: Tracking ativo, prevenc¸ao˜ de furtos, localizac¸ao˜ indoor)
Acionamento automatico´ sensorial (Ex.: Monitoramento agropecuario,´ rede de detectores de fumac¸a, estocagem de alimentos perec´ıveis)
1Computac¸ao˜ ub´ıqua e´ um termo que representa a onipresenc¸a de sistemas informatizados na vida das pessoas.
2Wireless Sensor Network e´ um termo que define uma rede de sensores autonomosˆ espalhados no espac¸o que monitoram variaveis´ f´ısicas.
3Os Jetsons e´ uma serie´ animada televisiva que retrata o cotidiano de uma fam´ılia do ano de 2062.
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Seguranc¸a do produto automatica´ (Ex.: Certificac¸ao˜ da provenienciaˆ de produtos, controle de acesso, anti-pirataria)
Resposta ao usuario´ simples e direta (Ex.: Indicac¸ao˜ de direc¸oes,˜ Feedback de final de tarefa, jogos eletronicos,ˆ rapida´ verificac¸ao˜ da qualidade de produtos perec´ıveis)
Resposta ao usuario´ extensiva (Informac¸oes˜ detalhadas de produtos, comparac¸ao˜ de prec¸os, testes de alergia, avaliac¸ao˜ de produtos, acessibilidade, guias de cidades e museus, registro de manutenc¸ao,˜ registro de historico´ de pacientes )
Resposta persuasiva (Ex.: Conselhos alimentares e de saude´ em geral, notificac¸oes˜ para desligar eletro-domesticos´ ou torneiras, identificac¸ao˜ de rotas, sugestoes˜ de produtos)
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O medo de que dados comportamentais de usuarios´ sejam utilizados por empresas e governos para inferir informac¸oes˜ sigilosas, como em quem cada pessoa possivelmente votou na ultima´ eleic¸ao˜ ou se os funcionarios´ de uma empresa consomem produtos de marcas concorrentes, e´ real. Outro ponto que deve ser destacado e´ a existenciaˆ de varias´ interfaces de comunicac¸ao˜ com sistemas IoTe o fato da comunicac¸ao˜ entre elas praticamente nao˜ existir. Se os usuarios´ tiverem de aprender a utilizar uma interface diferente para cada conceito de IoTcom o qual queira interagir, estes avanc¸os tecnologicos´ se contrapoem˜ ao objetivo de facilitar as suas vidas [15]. Existe tambem´ uma preocupac¸ao˜ com o desemprego estrutural que a automac¸ao˜ de certos setores via IoTira´ acarretar. Porem,´ os esforc¸os nao˜ devem ser canalizados para frenar estes avanc¸os e sim para garantir que empregados que tiveram seus postos extintos sejam remanejados para outros postos, de preferenciaˆ com o treinamento necessario´.[21] Por ultimo,´ ainda existem queixas de ambientalistas que preveemˆ um grande acumulo de lixo eletronicoˆ sendo produzido em decorrenciaˆ da IoT[8].
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Figura 2. Hype Cycle Graph demonstrando o estado de maturac¸ao˜ dos novos conceitos tecnologicos´ e as expectativas do publico´ em 2012 e 2014, respectivamente
B. Cr´ıticas e polemicasˆ
Nao˜ obstante a todos os pontos positivos ja´ citados, existem cr´ıticas e controversias´ sobre a IoTdignos de nota e que devem ser problematizados e discutidos. A mais importante diz respeito a` seguranc¸a [17] e a` privacidade dos usuarios´ [14].
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REVISAO˜ BIBLIOGRAFICA´ E EXEMPLOS
Primeiros avanc¸os
O termo Internet das Coisas surgiu em 1999, adequando a entao˜ recente ideia de RFID (Radio Frequency Identification) a` cadeia desuprimentos da P&G [3]. Desde entao,˜ esse paradigma tem ganhado forc¸a e penetrado o mundo academico,ˆ sendo utilizado hoje em uma infinidade de aplicac¸oes˜. O conceito central desse novo paradigma e´ a possibilidade de objetos interagirem entre si a fim de alcanc¸arem um obje-tivo comum, utilizando-se de protocolos de enderec¸amento unico´ [4]. Desde entao,˜ inumeras´ aplicac¸oes˜ emergiram, tanto no contexto industrial quanto comercial. Varios´ dispositivos, desde termostatos inteligentes ate´ alimentadores de animais
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domesticos,´ ja´ estao˜ dispon´ıveis para o grande publico´. E im-portante mencionar que uma consideravel´ parte destes dispo-sitivos foram desenvolvidos atraves´ de financiamento coletivo (crowdfunding4) [7].
B. Seguranc¸a e privacidade
Apesar dos avanc¸os serem grandes, no aspecto tecnologico,´ nota-se uma clara falta de comunicac¸ao˜ entre eles. A ine-xistenciaˆ de consenso sobre o padrao˜ de troca de informac¸oes˜ e a divergenciaˆ entre os protocolos de seguranc¸as propostos na literatura ([17], [4], [22]) dificulta sua aplicabilidade modular e
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o dialogo´ entre plataformas de diferentes marcas. E necessario´ que os desenvolvedores assegurem que ataques a sistemas IoTsejam interceptados, dados trocados sejam autenticados, os acessos sejam controlados e a privacidade seja garantida. Para isso, sistemas customizados de seguranc¸as precisam ser desenvolvidos e ter o funcionamento certificado. Um caso em especial que merece destaque e´ a seguranc¸a de sistemas IoTconectados a` dispositivos moveis´. Esse tipo de aplicac¸ao˜
Sistema de financiamento coletivo de projetos baseado em doac¸oes˜ de usuarios´ que se interessam por uma ideia, conceito ou causa. Geralmente as doac¸oes˜ sao˜ recompensadas com produtos caso o projeto atinja uma certa quantidade de doac¸oes˜ pre´-determinada. Caso contrario,´ todo dinheiro e´ devolvido aos investidores.
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e´ alvo de muito interesse uma vez que, como ja´ citado, os aparelhos smartphones estao˜ se popularizando cada vez mais. Visto que sistemas de pagamento on-line em geral (compras e servic¸os) estao˜ cada vez mais comuns, a sua integrac¸ao˜ com sistemas IoTlogo ganhara´ espac¸o no mercado, quando poderemos ir ao cinema, ao supermercado ou sair para almoc¸ar sem nem mesmo levar a carteira.
C. Tecnologias relacionadas
Dentre as tecnologias utilizadas pelos sistemas IoTpodemos citar as tags e leitores RFID, codigos´ de barra e QR co-des, analise´ e processamento de imagens, microprocessadores, eletronicaˆ embarcada, entre outros. Alem´ disso, uma vasta gama de sensores de toda sorte e´ empregada em func¸ao˜ do escopo final do sistema, como sensores de temperatura, infra-vermelhos, ultrasonicos,ˆ GPS, etc. Por ultimo,´ os dispositivos de IO mais utilizados sao˜ os dispositivos moveis´ (tablets, smartphones, PCs) mas tambem´ ha´ espac¸o para que touch-displays possam ser embarcados em sistemas, facilitando a interac¸ao˜ homem-maquina´.
Figura 3. Aplicac¸oes˜ e tecnologias relacionadas a` IoT[20].
D. Tendenciasˆ do mercado e impactos
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E valido´ dizer que, no futuro, o cotidiano global sera´ influenciado por sistemas IoT. Para melhor citar poss´ıveis impactos destes sistemas em nossas vidas, analisaremos varios´ campos de aplicac¸ao˜ separadamente, como em [21].
Transportes e log´ıstica - Sistemas IoTmelhoram tanto no controle de fluxo de mercadorias e bens quanto no rastreamento e identificac¸ao˜ automatica´ de fretados. Alem´ disso, podem ajudar na melhoria da eficienciaˆ energetica´. Espera-se que o movimento inteligente de carga ajude a sincronizar processos, otimizar cadeias de suprimentos e mude a maneira com que o ser humano interage com o transporte.
Domotica´ - Podemos destacar 3 aspectos principais que sofrerao˜ impactos da IoT: gestao˜ de recursos (agua,´ luz, gas,´ etc.), seguranc¸a e conforto. Os principais objetivos sao,˜ reduzir desperd´ıcios, criar um ambiente mais seguro (detectando roubos e incendios,ˆ por exemplo) e facili-tando tarefas cotidianas.
SmartCity - Apesar de ainda ser um conceito confuso, as SmartCities, como o proprio´ termo diz, sao˜ cidades
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inteligentes que controlam seu desenvolvimento de forma sustentavel,´ melhorando a qualidade de vida. Existem na literatura [16] analises´ que demonstram que varios´ setores (comerciais e industriais) podem se beneficiar de cidades mais inteligentes e digitalizadas, atraves´ de SmartGrids5, monitoramento remoto de pacientes (como diabeticos,´ portadores de marcapasso, etc.), infraestrutura para recarga de ve´ıculos eletricos,´ comercios´ inteligentes.
SmartFactory - As companhias poderao˜ rastrear seus produtos, em uma escala global atraves´ de tags RFID. Em geral, a IoTtende a guiar processos automaticos´ que irao˜ acarretar na diminuic¸ao˜ do numero´ necessario´ de em-pregados em alguns setores. A mao˜-de-obra que e´ exigida em processos de fabricac¸ao˜ e log´ıstica sera,´ aos poucos, substitu´ıda por leitores de codigos´ de barras, sensores, atuadores e, enfim, por sistemas roboticos´ mais eficientes que empregados humanos. Por outro lado, a demanda por tecnicos´ de manutenc¸ao,˜ programadores, desenvolvedores e outros cargos de maior formac¸ao˜ tecnica´ requerida irao˜ surgir. Dessa forma, a sociedade deve se preparar para realocar estes funcionarios´ de maneira a contornar o aumento das taxas de desemprego.
Vendas em Varejo - Nao˜ so´ a maneira como nos,´ consu-midores comuns, fazemos nossas compras cotidianas sera´ drasticamente afetada pela IoTcomo a forma na qual o setor terciario´ inteiro opera tera´ de se adaptar. Alguns dos benef´ıcios que podemos enumerar sao,˜ comparac¸ao˜ em tempo real de prec¸os, busca por produtos similares,
busca por promoc¸oes,˜ compras automaticas,´ entre outros. ´
E importante notar que grandes redes de varejo terao˜ grande vantagem sobre os pequenos e medios´ negocios,´ uma vez que ja´ possuem grande parte do mercado e podem investir em larga escala em produtos de IoT.
Saude´ - As aplicac¸oes˜ na area´ da saude´ sao˜ inumeras´. Monitoramento remoto, criac¸ao˜ de perfis e historicos,´ portabilidade de prontuarios,´ diagnosticos´ assistidos e precoces, acionamento de unidades de emergencia,ˆ alertas nutricionais sao˜ apenas alguns exemplos de soluc¸oes˜ trazidas pela IoT.
Meio ambiente - Como pode ser notado, este campo de aplicac¸ao˜ se entrelac¸a com os anteriores em varios´ pontos. A eficienciaˆ energetica´ talvez seja o mais im-portante deles, permitindo que, atraves´ das SmartGrids as companhias de fornecimento consigam gerir melhor seus recursos. Alem´ disso, o consumidor final pode ter papel importante neste aspecto, podendo ser solicitado a` desligar equipamentos e eletrodomesticos´ que detectem nao˜ estarem sendo utilizados.
ESTUDO DE CASO
No presente trabalho, procurou-se ilustrar a simplicidade de desenvolvimento de uma aplicac¸ao˜ do conceito de IoTna domotica,´ implementando-se o acionamento de dispositivos eletricos´ pelo browser de um smartphone, tablet ou com-putador qualquer. Para a implementac¸ao,˜ utilizou-se a pla-
Redes inteligentes de medic¸ao˜ de consumo eletrico´ e gestao˜ de microgerac¸ao˜ energetica´.
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taforma Arduino UNO [2], que utiliza um microcontrolador ATmega328p, e um modulo´ Ethernet ENC28J60 para inter-facear comunicac¸ao˜ do microcontrolador com a rede. Um esquema basico´ ilustrando a comunicac¸ao˜ entre os dispositivos e´ apresentado na Figura 4.
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4
HTTP req
Ignore NO	GET ?
YES
PINx = 1 NO	PINx 1?
YES
PINx = 0
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Figura 6. Fluxograma simplificado do funcionamento do dispositivo de acionamento remoto de equipamentos eletricos´.
Figura 4. Esquema de comunicac¸ao˜ entre os objetos.
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Foi utilizada a plataforma Arduino devido a`simplicidade de implementac¸ao˜ e reaproveitamento de codigo,´ porem´ qualquer microcontrolador pode ser utilizado para essa aplicac¸ao˜.
Para a comunicac¸ao˜ entre o modulo´ e o Arduino, utilizou-se a interface SPI6 e a biblioteca EtherCard.h [19], que funciona como um driver para a configurac¸ao˜ do modulo´ Ethernet. A Figura 5 ilustra as linhas de comunicac¸ao˜ f´ısica do protocolo SPI entre o Arduino e o modulo´ Ethernet.
	SCK (13)
	
	SCK
	
	
	
	
	
	Arduino
	
	SI
	ENC28J60
	
	
	
	
	(Master)
	
	SO
	(Slave)
	CS (8)
	
	CS
	
	
	
	
	
Figura 5. Protocolo de comunicac¸ao˜ SPI entre o Arduino e o modulo´ Ethernet.
A biblioteca EtherCard.h possui suporte para utilizac¸ao˜ de IP estatico´ ou dinamicoˆ. Em nossa implementac¸ao,˜ configu-ramos o microcontrolador com IP fixo, para facilitar o acesso por todos os usuarios´. Os dispositivos moveis,´ conectados a` rede via WiFi ou cabo Ethernet, podem acessar diretamente o Arduino buscando seu IP no browser. Servic¸os de DNS dinamicoˆ podem ser configurados para que o acesso ao dis-positivo nao˜ dependa do conhecimento do IP. Nesse estudo, nao˜ foi feita a configurac¸ao˜ desse servic¸o por questao˜ de simplicidade e pelo fato de a maioria desses servic¸os aceitos pelo roteador serem pagos.
Ao acessar o IP do Arduino pelo browser, a pagina´ em HTML contida no codigo´ do microcontrolador e´ exibida, uma vez que o Arduino foi configurado de forma a implementar um webservice. Quando o botao˜ para o controle dos dispositivos perifericos´ (lampada,ˆ ventilador ou radio,´ por exemplo) e´ acionado, um HTTP request e´ enviado ao target. Se o request enviado for reconhecido pelo microcontrolador, ou seja, se for enviado o metodo´ GET, o mesmo ativa o pino desejado, acionando a bobina do rele,´ que, por sua vez, fecha o circuito ligando o equipamento eletrico´. Um fluxograma simplificado do funcionamento do dispositivo e´ apresentado na Figura 6.
Serial Peripheral Interface e´ um protocolo de comunicac¸ao˜ serial s´ıncrona usado por microcontroladores para comunicar com dispositivos perifericos´ de forma rapida´ e em pequenas distanciasˆ [2].
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A Figura 7 ilustra o diagrama de uso de caso, que utilizamos para modelar os requisitos do sistema sem os detalhes de implementac¸ao˜.
	
	Internet Browser
	
	
	Acender
	
	
	lâmpada
	
	
	Ligar ventilador
	
	Usuário
	Ligar rádio
	Arduino
	
	
	
Figura 7. Diagrama de uso de caso.
Como apresentado nas sec¸oes˜ anteriores, duas questoes˜ relevantes que restringem o avanc¸o desenfreado do novo
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paradigma sao˜ a seguranc¸a e a privacidade. E poss´ıvel identi-ficar em nosso estudo, por exemplo, um problema cr´ıtico de seguranc¸a, em que um usuario´ qualquer que disponha de um dispositivo movel´ com tecnologia wireless poderia acessar a rede e acender ou apagar as lampadas,ˆ ou ligar e desligar equipamentos. Essa questao˜ torna-se ainda mais cr´ıtica se tratarmos de acesso a camerasˆ de seguranc¸a e outros itens que colocariam em jogo a privacidade e seguranc¸a de sua residenciaˆ. Obviamente existem meios de evitar ou reduzir tais problemas, tais como a configurac¸ao˜ de senhas e criptografias, restric¸ao˜ de MAC address com acesso a` rede, entre outros. No entanto, como pode ser visto em [18], infelizmente ainda ha´ meios de burlar tais metodos´ de seguranc¸a.
IV. CONCLUSAO˜
Sem duvidas´ a IoTalimentara´ nos proximos´ anos legioes˜ de pesquisadores, seja academicos,ˆ seja industriais, por todo o mundo [9]. Varios´ pontos importantes para sua consolidac¸ao˜ permanecem em aberto e varias´ barreiras ainda devem ser derrubadas. Nao˜ faltam entre toda discussao˜ aqui desenvolvida motivac¸oes˜. Os benef´ıcios que permeiam o horizonte tanto das empresas como das pessoas servem de motivac¸ao˜ para que a
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cada dia novos estudos sejam feitos e sistemas inteligentes estejam cada dia mais acess´ıveis para todos.
Apesar das cr´ıticas aqui citadas, o panorama em geral e´ positivo e a expectativa e´ de que, dentro de dez anos, a IoTatinja o plateau da produtividade e, num futuro proximo,´ todos os equipamentos eletronicosˆ tenham um cartao˜ SIM e estejam conectados a` Internet [13].
Portanto, a unificac¸ao˜ entre o mundo real e o mundo virtual e´ nao˜ so´ poss´ıvel, como esta´ a poucos passos de ser atingida. O carater´ promissor dessa tecnologia abre um grande leque de oportunidades de pesquisa e negocios,´ para que sejam superados os desafios apresentados neste trabalho. Esperamos, com este estudo, que novos pesquisadores ajudem a explorar o enorme potencial da IoT, fazendo com que ela deixe de ser ficc¸ao˜ cient´ıfica para se tornar realidade.
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�Lucas Egidio Graduando em Engenharia de Controle e Automac¸ao˜ e Mes-trando em Engenharia Mecanicaˆ pela Universidade Estadual de Campinas.
Tiago Ukei Graduando em Engenharia de Controle e Automac¸ao˜ pela Universidade Estadual de Campinas.
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