Iot - UNIDADE I

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Iot (Wearables) - Programação com Arduino
Unidade I
Atualmente, experiências com o desenvolvimento, implementação e otimização de sistemas embarcados conferem um diferencial aos profissionais de tecnologia, pois estes adquirem uma gama de competências e capacidade resolutiva. 
Convido você a entrar nesta jornada de aprendizado que o universo dos sistemas embarcados nos proporciona, trazendo à tona inúmeras possibilidades e conhecimentos imprescindíveis para o desenvolvimento de ferramentas que possam contribuir de forma significativa para o avanço tecnológico em nossa sociedade. 
Objetivos
UNIDADE 1. Elétrica, eletrônica e a internet das coisas
Karien Carolline Mendonça Vital
 Conhecer os componentes eletrônicos básicos e sua disponibilidade no mercado;
 Desenvolver raciocínio lógico;
 Conhecer conceitos de elétrica;
 Contextualizar o uso de sistemas embarcados na atualidade.
TÓPICOS DE ESTUDO
Eletricidade
Não podemos falar sobre eletricidade e não falarmos dos átomos. Os átomos são unidades simples de matéria, ou seja, deles que advém às cargas positivas (prótons) e negativas (elétrons) de energia.
A eletricidade é um fenômeno físico que se dá através das cargas elétricas em movimento ou inertes e pela interação exercida por elas. Conceitualmente falando, é uma troca iônica dos elétrons na camada de Valença.
TENSÃO  
A tensão é uma grandeza elétrica também conhecida como diferença de potencial elétrico (DDP). Este DDP é a força usada para que os elétrons se movimentem, criando assim uma corrente, a ela damos o nome de “corrente elétrica”. 
Essa tensão pode ser alternada – após um tempo não determinado, se a polaridade for alterada – ou contínua. A unidade de medida da tensão são os volts (V).
Para o cálculo da tensão utilizamos a Lei de Ohm, em que:
V = Tensão
I = Corrente
R = Resistência
A fórmula básica para o cálculo da tensão, segundo a Lei de Ohm, é:
V = I * R
CORRENTE  
Perez e Darós (2013, p. 13) definem corrente elétrica como um “fluxo de elétrons que circula em um condutor”. Este movimento de elétrons entre átomos se dá por um condutor, e a ele damos o nome de corrente elétrica.
Para que haja esta movimentação de elétrons entre os átomos, deve-se existir uma diferença de tensão.
Podemos medir a corrente elétrica de três formas diferentes, através do ampere (A), do microampere e do miliampere. 
Existe uma diferença entre o sentido da corrente, pois, na física, a corrente segue do polo negativo para o positivo. Observe o esquema abaixo que representa o sentido real:
Já na eletrônica, o sentido convencional é adotado e a corrente segue o fluxo do polo positivo para o negativo.
Dividimos ainda a corrente elétrica em três tipos: alternada, pulsante e contínua. Vamos agora conhecer um pouco mais sobre cada uma destas correntes.
Na corrente alternada existe uma “alternância cíclica” entre a direção e a intensidade, temos uma corrente por vezes negativa e outras vezes positiva. Podemos citar como exemplo a energia de uma tomada.
A corrente contínua nunca tem o seu sentido alterado, permanecendo sempre positiva ou sempre negativa, como mostra a Figura 5. Podemos citar como exemplo de corrente contínua, a pilha.
A corrente pulsante advém da corrente contínua, onde os elétrons variam de intensidade no decorrer do fio, embora tenham um sentido constante. Apesar disso, o sentido da corrente não é alterado. Como exemplo, podemos citar a retificação de correntes alternadas.
RESISTÊNCIA ELÉTRICA 
A resistência elétrica nada mais é do que a dificuldade que um condutor impõe durante a passagem da corrente elétrica por ele. Quanto menor for o número de elétrons livres, maior será a resistência.
Para que seja possível mensurar a resistência, a mesma é medida em Ohms e representada pela letra grega ômega Ω.
Fonte: PEREZ; DARÓS, 2013. (Adaptado).
Resistor: é um componente eletrônico de tipo fixo que limita o fluxo da corrente elétrica. Geralmente eles são compostos por filme carbono, e, para que possamos identificá-los, vemos quatro faixas pintadas em seu corpo. Cada faixa representa uma determinada funcionalidade, a saber:
Fonte: PEREZ; DARÓS, 2013. (Adaptado).
Potenciômetro: o potenciômetro é um resistor do tipo variável, isto significa que ele possui um divisor de tensão que proporciona um ajuste no seu nível de resistência de acordo com a necessidade do circuito em que está sendo utilizado.
LDR (resistor dependente de luz): assim como o potenciômetro, o LDR também é um resistor do tipo variável. Sua grande diferença se dá pela conversão do espectro de luz em resistência, ou seja, quanto mais intensa a luz incidida, menor será a resistência. A leitura do espectro de luz é feita através da cabeça achatada do LDR.
Conceitos de eletrônica analógica e digital
Antes de discorrermos sobre a diferença entre “eletrônica analógica” e “eletrônica digital”, devemos pensar primeiramente sobre o que é eletrônica e qual a importância dela no nosso contexto.
Segundo Perez e Darós (2013), a eletrônica pode ser definida como a ciência que estuda formas de controlar a energia elétrica por meios elétricos. 
Podemos dizer ainda que a eletrônica é responsável por estudar os componentes eletrônicos e elétricos que contemplam os circuitos elétricos.
CURIOSIDADE
Durante a Segunda Guerra Mundial, a eletrônica era muito utilizada na transmissão e recepção de rádios, e por este motivo seu estudo era contido em outras disciplinas, como por exemplo, a Eletromecânica. Somente em meados do século XX que a disciplina teve sua ‘independência’ e passou a ser estudada separadamente como conhecemos atualmente.
Agora que já sabemos o que é eletrônica, vejamos alguns exemplos de sua aplicabilidade em nosso contexto. 
Podemos citar a criação do ENIAC, o primeiro computador à válvula, desenvolvido na Universidade da Pensilvânia, em 1946. Esta invenção foi um marco para o mundo da computação e de fundamental importância para a evolução da tecnologia como temos atualmente, assim como a invenção do transistor – em 1947, por William Sockley – e o desenvolvimento do primeiro circuito integrado, em 1958.
Fonte: LINIK, 2016.
Assim como em outros segmentos, a área de eletrônica possui padrões de unidades de medidas, conforme mostra a Tabela 2.
Fonte: INMETRO, 2013.
A eletrônica divide-se ainda em duas partes: eletrônica analógica e eletrônica digital. 
A eletrônica analógica é responsável por trabalhar com quantidades variantes, contínuas e em uma determinada escala. Um bom exemplo de sinal analógico é o disco de vinil.
Já a eletrônica digital é responsável por trabalhar com quantidades inteiras e não fracionadas. Um exemplo de sinal digital é o CD de músicas.
LÓGICA BOOLEANA E CIRCUITOS LÓGICOS
A lógica booleana surgiu em meados de 1850, quando George Boole desenvolveu um sistema de análises lógicas conhecido como a “Álgebra Booleana” ou “Álgebra de Boole”.
Fonte: LIBERT, 2017.
A álgebra booleana demonstra através de uma expressão algébrica uma operação de circuito de níveis lógicos, onde apenas dois valores (constantes ou variáveis) são aceitos, 0 ou 1.
Esses valores assumem condições opostas, como por exemplo: 0 = desligado e 1= ligado, ou ainda 0 = verdadeiro e 1= falso. Para representar esses valores, utilizamos proposições (estruturas gramaticais), como por exemplo: “João é inteligente”.
Dentro da álgebra booleana fazemos uso de três operações básicas, são elas NOT (não), AND (e) e OR (ou).
Cada operação algébrica possui sua própria representação, como podemos ver a seguir:
NOT (não):
Representação algébrica*:
S = Ā ou S = A' lê-se (A barra) ou (NÃO A)
AND (e):
Representação algébrica*:
S = A.B (leia-se A e B)
OR (ou):
Representação algébrica*:
S = A+B (leia-se A OU B)
Para determinar o resultado (saída) lógico de um circuito, necessitamos observar os valores lógicos de entrada neste circuito, bem como a operação a ser utilizada.
CURIOSIDADE
O Circuito Integrado foi criado em 1958 pelo físico estadunidense Jack Kilby, quando trabalhava na empresa Texas Instruments Inc. Em 2000, Jack Kilby foi agraciado como prêmio Nobel de Física. 
Fonte: PEREZ; DARÓS, 2013.
Utilizamos uma técnica chamada tabela verdade para analisar duas ou mais proposições e verificar se estas relações são falsas ou verdadeiras. Como exemplo para a criação da nossa tabela verdade, usaremos uma tabela com três proposições básicas, que chamaremos de “p”, “q” e “r”, por padrão. Sabemos então que teremos três colunas (uma para cada proposição), porém, ainda necessitamos saber quantas linhas teremos em nossa tabela. Para descobrirmos quantas linhas teremos na tabela, pegamos o número 2 e elevamos a quantidade de colunas (proposições) que temos. O resultado será o número de linhas.
Agora que temos a tabela devidamente criada, iremos preenchê-la. Para tanto, é necessário realizar um cálculo simples que mostrarei a seguir:
A tabela final preenchida ficará assim:
Após a criação da tabela, veremos agora as possíveis operações algébricas aplicáveis à tabela verdade e suas saídas:
// Tabela verdade NOT (não)
Irá negar o valor de entrada inicial, observe o exemplo a seguir:
// Tabela verdade AND (e)
Irá verificar os valores de entrada e somente apresentará o valor 1 na saída quando as duas entradas forem iguais a 1.
// Tabela verdade OR (ou)
Irá verificar os valores de entrada e somente apresentará o valor 0 na saída quando as duas entradas forem iguais a 0.
// Outras portas lógicas
Porta ou exclusivo (XOR).
// Tabela verdade
Irá verificar os valores de entrada e apresentará o valor 0 na saída quando as duas entradas forem iguais (sejam elas 0 ou 1).
// Tabela verdade
Irá verificar os valores de entrada e apresentará o valor 0 na saída quando todas as entradas forem iguais a 1.
// Tabela verdade
Irá verificar os valores de entrada e apresentará o valor 1 na saída quando todas as entradas forem iguais a 0.
// Tabela verdade
Irá verificar os valores de entrada e apresentará o valor 0 na saída quando as entradas 1 XOR 2 forem iguais a 1.
CONTADORES E REGISTRADORES
Registradores são memórias que contemplam a CPU e estão, hierarquicamente, no topo da cadeia. Estas mídias são rápidas e armazenam diversos bits, porém seu custo para tal armazenamento é mais alto.
É importante ressaltar que os registradores são circuitos de armazenamento rápido e temporário, o que torna fundamental sua existência para o funcionamento eficaz do computador, uma vez que a memória principal envia os dados necessários para a execução do sistema do processador para o registrador.
Os registradores de deslocamento são responsáveis pelo armazenamento de informações que contenham mais de 1 bit. Os dados que entram no circuito em série são dispostos na saída em paralelo, como mostra a Figura 15.
Fonte: LIBERT, 2017.
Agora vamos falar um pouco sobre os contadores, eles são circuitos digitais contadores de pulsos considerados um conjunto de flip-flops. Os contadores se dividem em duas categorias: síncronos e assíncronos.
Os síncronos possuem em seu contador uma forma sequencial que vai de 0 a N e possuem um “sinal de clock” que é comum aos flip-flops. Já os assíncronos possuem um “sinal de clock” com flip-flop único e são divididos em quatro partes, a saber:
IoT - Conceitos básicos
O termo “a internet das coisas (IoT)” foi utilizado pela primeira vez por um especialista no ano de 1999, o pesquisador britânico do Instituto de Pesquisas Tecnológicas de Massachusetts (MIT), Kevin Ashton. Desde então, este assunto vem ganhando mais atenção a cada dia. Mas afinal, o que significa este termo? De que ‘coisas’ estamos falando? Estes questionamentos são bem comuns quando entramos neste tema, mas vejamos agora as respostas para estas questões.
Podemos definir a “internet das coisas” como uma nova era tecnológica, na realidade, já estamos vivenciando esta era e muitas pessoas nem perceberam do que se trata. A internet das coisas propõe uma mudança no padrão de uso da internet e de comunicação. A internet inicialmente foi criada com o intuito de interligar computadores (rede de computadores), com o passar dos anos esta rede foi evoluindo e, com o surgimento das redes sociais e outros aplicativos, passou a integrar pessoas (rede de pessoas e comunidades) e agora, neste terceiro momento, estamos vivenciando a comunicação/interação entre máquinas de maneira autônoma (internet das coisas). 
Em resumo, esta nova fase da internet que estamos vivenciando tende a interligar os objetos e dispositivos inteligentes de maneira que eles interajam conosco e principalmente entre si, facilitando nosso cotidiano.
No final da década de 1990, o cientista da computação Mark Weiser desenvolveu o seguinte conceito, nas palavras dele: As tecnologias mais importantes são aquelas que desaparecem. Elas se integram à vida do dia a dia, ao nosso cotidiano, até serem indistinguíveis dele.
Atualmente já temos tantas tecnologias integradas ao nosso cotidiano, e até ao nosso corpo, facilitando a nossa rotina, que muitas vezes acabamos não percebendo. Podemos chamar este conceito de Smart World. Um exemplo disso são os óculos de realidade virtual.
Esses óculos de realidade virtual prometem uma imersão tecnológica ao usuário. Podem ser utilizados de diversas maneiras, dentre elas, em jogos de console e aplicativos de Stream.
Além deles, carros, geladeiras, lâmpadas, relógios, janelas, cafeteiras, televisões e muitos outros aparelhos já estão sendo projetados para se comunicarem de forma autônoma conosco e entre si.
Esta comunicação pode ocorrer por meio de chips, wi-fi, 3G/4G, Bluetooth, antenas, sensores, microcontroladores e muito mais!
ARDUÍNO X INTERNET DAS COISAS
Arduíno é um dispositivo que possui um microcontrolador com plug USB pelo qual é possível conectar a um computador e realizar a programação deste. Possui uma série de portas analógicas e digitais de conexão que podem ser ligadas até mesmo em produtos eletrônicos externos, tais como motores, sensores de luz, diodos de laser, alto-falantes, microfones etc. (GIBB, 2010).
O Arduíno é uma placa microcontroladora que foi desenvolvida na Itália, em 2005, com a finalidade de auxiliar estudantes de Arte e Design a incluírem tecnologia em seus projetos com um custo acessível e de fácil utilização, uma vez que não seria utilizada por especialistas em tecnologia.
A placa, idealizada pelo Professor do Institute Design Interaction, Massimo Banzi, contou com uma equipe de profissionais distintos envolvidos na missão de criar a plataforma de prototipagem. O pesquisador David Cuartielles desenhou a placa, David Mellis, aluno de Massimo, programou todo o software utilizado na execução da placa, e para reproduzir uma tiragem inicial de duzentas unidades, Massimo contratou o engenheiro Gianluca Martino. 
Batizada de “Arduíno”, nome de um bar frequentado por professores e estudantes na cidade de Ivrea, onde está localizado o Instituto em que Massimo lecionava, a placa fez muito sucesso logo em seu lançamento, pois atendia à necessidades dos alunos sendo barata e de fácil utilização. Após o sucesso do projeto original, que cativou inclusive profissionais de outras áreas, o Arduíno foi aprimorado e foram lançadas outras versões, suas vendas crescem a cada dia, ultrapassando atualmente a marca de 300 mil unidades vendidas ao redor do mundo, se contarmos todas as versões produzidas.
Pessoas de diversas áreas, nacionalidades e idades aderiram ao uso do Arduíno e se empoderam construindo soluções tecnológicas de diversos tipos para problemáticas do mundo real, ou seja, o conceito de IoT na íntegra!
Atualmente, o Arduíno conta com várias versões e é utilizado em diversos projetos de IoT criados diariamente por pessoas comuns e profissionais de diversas áreas para a resolução de problemas cotidianos ou inovação. 
O Arduíno possui o conceito open-source, e por este motivo existem comunidades colaborativas ao redor do mundo que compartilham códigos, lógicas e projetos que podem ser utilizados por todos ou aproveitados em um novo projeto. Vamos conhecer agora algumas das versões de Arduíno existentes.
TIPOS DE ARDUÍNO – UNO, LEONARDO E OUTROS
O ArduínoUno é uma placa baseada no ATMEGA328, possui conexão USB, pinos de entrada e saída digitais (14 no total) e analógicos (seis no total), ressonador cerâmico, cabeçalho ICPS, botão reset e comporta conector (fonte) de alimentação. Das versões do Arduíno esta é a mais simples de ser utilizada por iniciantes na programação de robótica com Arduíno. 
Podemos dizer que o Arduíno Leonardo é uma placa muito similar a UNO, porém, com grandes avanços: são 20 portas digitais (entrada/saída) e 12 portas analógicas, além de possuir a comunicação USB (micro USB) embutida na placa. Esta versão também é bem procurada por ingressantes no mundo da programação robótica.
// Arduíno Mega
A versão Mega do Arduíno conta com mais portas que as duas versões mostradas acima, ao todo são 54 portas digitais (divididas entre entrada e saída) e 16 analógicas, além de quatro portas seriais de hardware.
// Arduíno Lilypad
A linha de Arduínos Lilypad foi desenvolvida para utilização têxtil, ou seja, ele pode ser acoplado facilmente em tecidos e utilizado em projetos wearable.
// Arduíno Lilypad Simplesnap
O Arduíno Lilypad Simplesnap pertence à família Lilypad, possui nove pinos digitais e quatro entradas analógicas, não possui comunicação USB, apenas adaptador FTDI.
// Arduíno Lilypad USB
Da linha Lilypad esta é a única que conta com conexão micro USB, conexão para bateria de Lipo, nove pinos digitais e quatro entradas analógicas, além de um botão reset.
// Arduíno Lilypad Simples
Contando com nove pinos digitais e quatro entradas analógicas, esta versão conta ainda com um circuito carregador de baterias e um conector JST.
// Arduíno Nano
Este modelo é o mais indicado para uso junto com protoboards, devido seu tamanho. Arduíno Nano conta com oito entradas analógicos e 14 pinos digitais.
// Arduíno Pro Mini
Esta versão conta com oito entradas analógicos e 14 pinos digitais e possui a possibilidade de solda junto à própria placa.
// Arduíno Mini
Possui USB de série e também aceita outras conexões do tipo, além de dispor de oito entradas analógicas e 14 pinos digitais.
// Arduíno Micro
Esta versão contempla uma conexão micro USB, botão de reset e chip ATmega32u4, é muito conhecida como “uma versão micro do Arduíno Leonardo”.
// Arduíno Fio
Possui oito entradas analógicas e 14 pinos digitais, conexão para bateria de lítio, botão reset, conector para XBee e circuito de recarga USB. O Arduíno Fio foi projetado para aplicações/soluções wireless e os fios e conectores podem ser soldados diretamente na peça.
// Arduíno Explora
Também baseado no Arduíno Leonardo, o Arduíno Explora tem sua aparência similar a um joystick e possui interface de entrada/saída e sensores já integrados, além da possibilidade de interação com computadores, comportando-se como mouse e joystick, por exemplo.
Esta versão possui um conector micro USB e conta também com os seguintes itens: sensores de temperatura e luz, sensores de entrada, controle deslizante, acelerômetro, microfone e saídas de som e luz.
// Arduíno Pro
Mais uma versão de Arduíno que não fornece uma pinagem padrão e permite a soldagem/junção de conectores e fios à placa, possui também 14 pinos digitais (entrada/saída) e seis entradas analógicas.
// Arduíno Due
O Arduíno Due possui a pinagem igual ao Arduíno Mega, porém, possui um processador ARM de 32 bits, o que lhe confere uma potência maior que a versão Mega. Estão contidos nesta placa também os seguintes itens: Conector JTAG e um SPI, botões reset e apagar, conector USB e de fonte (sua tensão máxima é de 3.3 volts). 
// Arduíno e Ethernet
O grande diferencial desta versão é a conexão via Ethernet, que é integrada à placa por meio de uma placa Network Ethernet e conector RJ45. Este modelo possui ainda uma entrada MicroSD Card, jack para fonte de alimentação, botão reset e conector ICSP.
Este modelo é muito utilizado em projetos voltados ao conceito IoT.
// Arduíno Yun
O Arduíno Yun é a versão que já vem com wi-fi integrado à placa. Seu tamanho é o mesmo da versão Uno, seu processador é o mesmo da versão Leonardo e ainda conta com o SoC Atheros AR9331, que proporciona conectividade via wi-fi e Ethernet.
Esta versão foi desenvolvida especialmente pensando na internet das coisas (IoT), focada em operações na nuvem.
CURIOSIDADE
O nome Yun dado à placa Arduíno se dá pelo seu significado. “Yun” significa “nuvem” em chinês, nada mais propício para uma placa que visa viabilizar conexões e armazenamento em nuvem.
Agora é a hora de sintetizar tudo o que aprendemos nesta unidade. Vamos lá?!
Chegamos ao fim desta unidade. Nela conhecemos o conceito de eletricidade e seu surgimento a partir dos átomos, como funcionam as correntes elétricas e que devemos utilizar a Lei de Ohm para calcular a tensão elétrica. Aprendemos também sobre a resistência elétrica e os componentes eletrônicos que são utilizados para limitar este fluxo de corrente.
Vimos a importância da eletrônica na evolução da nossa tecnologia com a criação do ENIAC, o uso da lógica booleana na criação da tabela verdade e dos circuitos lógicos. Toda esta temática nos leva a compreender o funcionamento dos registradores flip-flop, que tornam o processamento dos computadores muito mais ágil, e dos contadores síncronos e assíncronos, que funcionam a partir do sinal de clock. O entendimento acerca deste conteúdo é essencial para que possamos desenvolver sistemas embarcados de maneira eficaz.
Por fim, entendemos que objetos/aparelhos têm se tornado cada vez mais autônomos e que, atualmente, estamos vivenciando uma fase em que eles podem comunicar-se entre si e conosco de maneira independente. Tal independência se dá pelo fato de estarem ligados à internet e possuírem componentes eletrônicos e microcontroladores que possibilitam tal ação. Dentre estes microcontroladores, conhecemos o Arduíno, um pouco de sua história, seu funcionamento e possibilidades diversas de trabalho com suas inúmeras versões.