Neste Laboratório vamos trabalhar com Node-red e conhecer o protocolo MQTT.

arquivo pdf do laboratório: laboratório5

Introdução à IoT¶

Agenda¶

Instalação do Node-RED e primeiros testes
Montagem de um dashboard no Node-RED
Criação de um end-point
Apresentação do MQTT

Conectando dispositivos a aplicações¶

Agora que já exploramos as funcionalidades do Arduino e sua capacidade de conectar sensores e atuadores, vamos prosseguir conectando o Arduino a aplicações que fazem uso desse dispositivo.

Em primeiro lugar, vamos relembrar a arquitetura que usaremos para os dispositivos de IoT se conectarem às suas aplicações.

Arquitetura básica de IoT¶

A arquitetura de implantação apresentada aqui é um modelo padrão para inspirar projetos reais. Ela inclui os elementos fundamentais para a conectividade, sem detalhar soluções para problemas acessórios.

Arquitetura Iot

Interoperabilidade: facilita a compatibilidade entre diferentes projetos de IoT.
Modularidade: define módulos que podem ser criados separadamente ou usados como "off-the-shelf".

Dispositivos de IoT¶

Os dispositivos de IoT interagem com o ambiente ao seu redor, capturando dados de sensores ou executando comandos por meio de atuadores.

Cada funcionalidade no dispositivo pode ser considerada uma aplicação (Endpoint Application).
Cada aplicação deve ser univocamente endereçável.

Conector de IoT¶

Os conectores de IoT gerenciam mensagens que chegam dos dispositivos ou são destinadas a eles, adaptando-as ao protocolo de cada dispositivo.

Pode haver conectores diferentes para protocolos variados.
Protocolos comuns em IoT: MQTT, WebSocket, CoAP, LoRaWAN.

Gerenciamento de dispositivos e dados¶

Este componente faz o gerenciamento remoto dos dispositivos e de seus dados, autorizando o acesso de outras aplicações.

Cadastra novos dispositivos e aplicações.
Monitora a disponibilidade dos dispositivos.
Envia comandos de gerenciamento, como inicialização, reinicialização, desligamento e atualização de firmware.

Bancos de dados e análise de dados¶

Armazena dados provenientes das aplicações e comandos destinados aos dispositivos.

Bancos de dados NoSQL são mais indicados para a IoT devido à natureza diversificada e em constante mudança dos dados.
Analisadores de dados monitoram os dados para melhor aproveitamento.

Gateway¶

O gateway conecta dispositivos sem acesso direto à internet e realiza a conversão de protocolos entre os dispositivos de IoT e o conector de IoT.

Gateway Iot

Gerencia múltiplos protocolos, especialmente em LAN’s, PAN’s e HAN’s (ex: Zigbee, Bluetooth, LoRa, Thread/6LoWPAN).

Node-RED¶

O Node-RED é uma plataforma de programação visual para sistemas baseados em eventos. Ele executa como um servidor web e é amplamente utilizado para conectar dispositivos de IoT.

Programado em Node.js, é uma ferramenta visual para editar fluxos de mensagens.
Disponível em serviços de Cloud como o IBM Bluemix.

Instalação do Node-RED¶

Instale o Node.js (versão LTS) no site Node.js.
No terminal, digite:
```
npm install -g --unsafe-perm node-red
```
Para rodar o Node-RED:
```
node-red
```
Acesse no navegador: http://localhost:1880

Primeiro fluxo no Node-RED¶

Conecte um nó de entrada do tipo "inject" a um nó "debug", faça o deploy e observe o resultado no painel de debug.
Modifique o nó "inject" e veja as alterações no resultado.

ola mundo

Desafios no Node-RED¶

Desafio 1: Monitor de clima¶

Cadastre-se no site OpenWeather, crie um token e leia a documentação da API Current.
Crie uma URL para obter o tempo de uma cidade de sua preferência e compare o resultado com a saída no Node-RED.

url

Desafio 2: Dashboard¶

Crie um dashboard que exiba informações de duas ou mais cidades, incluindo: - Temperatura atual - Temperatura mínima - Temperatura máxima - Velocidade do vento - Umidade relativa - Sensação térmica

Atualize os dados a cada 3 ou 5 segundos.

MQTT (Message Queuing Telemetry Transport)¶

O MQTT é um protocolo de comunicação leve projetado especificamente para dispositivos com recursos limitados, como sensores e atuadores, e cenários de redes com alta latência e baixa largura de banda. Sua simplicidade e baixo overhead o tornam ideal para a Internet das Coisas (IoT).

comparativo

Características principais do MQTT:¶

Modelo Publish/Subscribe: O MQTT usa um modelo de comunicação assíncrono, onde os clientes se inscrevem (subscribe) em tópicos específicos para receber mensagens e publicam (publish) mensagens nesses tópicos para serem recebidas por outros clientes.
Broker: O broker é o servidor central que gerencia as mensagens publicadas e as distribui para os clientes inscritos em tópicos específicos.
Qualidade de Serviço (QoS): O MQTT oferece três níveis de QoS que controlam a entrega das mensagens, garantindo diferentes níveis de confiabilidade:
QoS 0 - At most once: A mensagem é entregue no máximo uma vez, sem confirmação de recebimento. Risco de perda de mensagem.
QoS 1 - At least once: A mensagem é entregue ao menos uma vez. Há confirmação de recebimento, mas pode ocorrer duplicação de mensagens.
QoS 2 - Exactly once: A mensagem é entregue exatamente uma vez, garantindo a entrega sem duplicação ou perda, porém com maior overhead.
Retained Messages: Uma mensagem publicada pode ser marcada como "retida", o que significa que o broker armazenará essa última mensagem publicada no tópico e enviará imediatamente aos novos clientes que se inscreverem no tópico, mesmo após a publicação original.
Last Will and Testament (LWT): O LWT é uma mensagem que o broker envia automaticamente caso um cliente MQTT se desconecte inesperadamente, notificando os outros clientes da rede sobre a falha.

mqtt

Funcionamento do MQTT:¶

Publicação de Mensagens: Um cliente publica uma mensagem em um tópico específico no broker.
Inscrição em Tópicos: Outros clientes se inscrevem em tópicos de interesse e, quando uma mensagem é publicada nesses tópicos, o broker a entrega aos inscritos.
Filtragem por Tópicos: O MQTT utiliza hierarquias de tópicos, permitindo o uso de caracteres coringa para subscrição:
+: Corresponde a um único nível de um tópico. Exemplo: sala/+/temperatura se inscreve em todos os sensores de temperatura de diferentes salas.
#: Corresponde a todos os níveis subsequentes do tópico. Exemplo: sala/# se inscreve em todos os tópicos que começam com "sala".

Exemplos de Brokers MQTT:¶

Desafio 3: Cliente MQTT no Node-RED¶

No Node-RED, um fluxo pode ser criado para simular um chat entre dois ou mais clientes MQTT. Para isso, deve-se configurar tópicos que sigam boas práticas de nomeação, como camelCase, e criar dois nós principais:

Node MQTT In: Subscreva-se a um tópico específico e receba mensagens publicadas nesse tópico.
Node MQTT Out: Publique mensagens em um tópico que os outros clientes estão escutando.

nodered-mqtt

Exemplo de configuração:

Tópico de envio: arnaldoAVianaJr/chat/mensagem
Para receber mensagens, crie um nó que se inscreva em: arnaldoAVianaJr/#.

teste-mqtt

Tip

Esse fluxo de comunicação pode ser testado em um ambiente local ou em um dos brokers públicos mencionados anteriormente.