IoT + ESP

ESP32

ESP32 é um sistema em um chip que integra os seguintes recursos:

• Wi-Fi (banda de 2,4 GHz)

• Bluetooth

• CPU de dois núcleos Xtensa® de 32 bits LX6 de alto desempenho

• Coprocessador Ultra Low Power

• Vários periféricos

Com tecnologia de 40 nm, o ESP32 oferece uma plataforma robusta e altamente integrada, que ajuda a atender às demandas contínuas de uso eficiente de energia, design compacto, segurança, alto desempenho e confiabilidade.

Espressif fornece recursos básicos de hardware e software para ajudar os desenvolvedores de aplicativos a concretizar suas ideias usando o hardware da série ESP32. O framework de desenvolvimento de software da Espressif se destina ao desenvolvimento de aplicativos de Internet das Coisas (IoT) com Wi-Fi, Bluetooth, gerenciamento de energia e vários outros recursos do sistema.

O ESP32 é um sistema dual-core com duas CPUs Harvard Architecture Xtensa LX6. Toda a memória embutida, memória externa e periféricos estão localizados no barramento de dados e/ou barramento de instrução dessas CPUs.

Com algumas pequenas exceções, o mapeamento de endereço das duas CPUs é simétrico, o que significa que elas usam os mesmos endereços para acessar a mesma memória. Vários periféricos no sistema podem acessar a memória embutida via DMA (acesso direto à memória).

As duas CPUs são chamadas de “PRO_CPU” e “APP_CPU” (para “protocolo” e “aplicação”), no entanto, para a maioria das finalidades, as duas CPUs são intercambiáveis.

Características

• Espaço de Endereçamento

- Mapeamento de endereço simétrico

- Espaço de endereço de 4 GB (32 bits) para barramento de dados e barramento de instrução

- 1296 KB de espaço de endereço de memória integrada

- 19704 KB de espaço de endereço de memória externa

- 512 KB de espaço de endereço periférico

- Algumas regiões de memória incorporada e externa podem ser acessadas por barramento de dados ou barramento de instrução

- 328 KB de espaço de endereço DMA

• Memória Embutida

- 448 KB de ROM interna

- SRAM interna de 520 KB

- Memória RTC FAST de 8 KB

- Memória RTC SLOW de 8 KB

• Memória externa

Memória Off-chip SPI pode ser mapeada no espaço de endereço disponível como memória externa. Partes da memória embutida podem ser usadas como cache transparente para esta memória externa.

- Suporta até 16 MB fora do chip SPI Flash.

- Suporta até 8 MB fora do chip SPI SRAM.

• Periféricos

- 41 periféricos

• DMA

- 13 módulos são capazes de operação DMA

Estrutura do sistema:

Estrutura do mapa de endereços:

Guia de Pinagem do ESP32

O ESP32 tem mais GPIOs com mais funcionalidades em comparação com o ESP8266.

Com o ESP32 você pode decidir quais pinos são UART, I2C ou SPI - você só precisa definir isso no código. Isso é possível devido ao recurso de multiplexação do chip ESP32, que permite atribuir várias funções ao mesmo pino. Se você não defini-los no código, os pinos serão usados como padrão - conforme mostrado na figura abaixo (a localização do pino pode mudar dependendo do fabricante).

Versão com 30 GPIOs

Versão com 36 GPIOs

O ESP32 pode ser programado em diferentes ambientes de programação. Você pode usar:

• Arduino IDE

• Espressif IDF (IoT Development Framework)

• Micropython

• JavaScript

• LUA

Instalando o ESP32 Board no Arduino IDE (Windows, Mac OS X, Linux)

Há um complemento para o Arduino IDE que permite programar o ESP32 usando o Arduino IDE e sua linguagem de programação.

Para instalar a placa ESP32 em seu IDE Arduino, siga estas instruções a seguir:

1 - No Arduino IDE, selecione File > Preferences

2 - Entre com https://dl.espressif.com/dl/package_esp32_index.json no campo “Additional Board Manager URLs” como mostrado abaixo. Então, clique no botão “OK”:

Nota: se você já tem o URL das placas ESP8266, pode separar as URLs com uma vírgula da seguinte forma:

3 – Abra o Boards Manager. Selecione Tools > Board > Boards Manager…

4 – Pesquise por ESP32 e pressione o botão Install para o “ESP32 by Espressif Systems“:

5 – Ele deve ser instalado após alguns segundos.

Plug a placa ESP32 no seu computador. Com seu Arduino IDE aberto, siga os seguintes passos:

1 - Selecione sua placa no menu Tools > Board (no meu caso é DOIT ESP32 DEVKIT V1)

2 - Selecione a Porta (se você não vê a Porta COM em seu Arduino IDE, você necessita instalar o CP210x USB to UART Bridge VCP Drivers):

3 - Abra o seguinte exemplo em File > Examples > WiFi (ESP32) > WiFiScan

4 - Um novo sketch abrirá em seu Arduino IDE:

5 - Pressione o botão Upload no Arduino IDE. Espere alguns segundos enquanto o código compila e carrega em sua placa.

Algumas placas de desenvolvimento ESP32 não entram no modo de flash/upload automaticamente ao fazer upload de um novo código.

Isso significa que quando você tenta fazer upload de um novo esboço para o ESP32, o IDE do Arduino falha ao se conectar à placa e você recebe a seguinte mensagem de erro:

Uma das maneiras de resolver isso é manter pressionado o botão “BOOT/FLASH” na placa ESP32 enquanto carrega um novo esboço ao mesmo tempo.

6 - Se tudo correr conforme o esperado, você verá uma mensagem “Done uploading.”

7 - Abra o Arduino IDE Serial Monitor com o baud rate de 115200

8 - Pressione o botão Enable no ESP32 e você deverá ver as redes disponíveis perto do seu ESP32:

Se você está tentando o upload de um novo sketch para seu ESP32 e você obter a mensagem de erro “A fatal error occurred: Failed to connect to ESP32: Timed out… Connecting…“. Significa que seu ESP32 não está no modo flashing/uploading.

Tendo o nome da placa e COM por selecionados, siga estas etapas:

• Mantenha pressionado o botão "BOOT" em sua placa ESP32

• Pressione o botão “Upload” no Arduino IDE para descarregar seu sketch.

• Depois de ver "Connecting ..." mensagem em seu IDE Arduino, solte o dedo do botão “BOOT”:

• Depois disso, você deverá ver a mensagem “Upload concluído”.

É isso. Seu ESP32 deve ter o novo sketch em execução. Pressione o botão “ENABLE” para reiniciar o ESP32 e executar o novo sketch carregado.

Você também terá que repetir essa sequência de botões toda vez que quiser fazer o upload de um novo sketch.

Internet das Coisas IoT

O termo “Internet das Coisas” foi cunhado em 1999. A IoT transformou a vida em muitas áreas e passou a ser uma realidade essencial. Isto pode ser atribuído a motores de desenvolvimento, como o aumento do uso da computação, o uso extensivo do protocolo de Internet (IP), o avanço contínuo da análise de dados e muito mais.

O que é a Internet das Coisas?

Em termos simples, a IoT é um universo gigante e digitalmente conectado de bilhões de dispositivos físicos em todo o mundo; “coisas” que coletam e compartilham dados sobre como são usadas e o ambiente ao seu redor. Esses objetos são incorporados à conectividade com a Internet, software, sensores e outros hardwares que permitem a conexão e a troca de dados com outros sistemas e dispositivos pela web.

A IoT estende o poder da Internet além dos smartphones e computadores para objetos domésticos comuns, como lâmpadas, fechaduras, micro-ondas inteligentes, dispositivos de fitness vestíveis, ferramentas industriais sofisticadas e carros autônomos, proporcionando-lhes um maior grau de capacidades analíticas e computacionais.

Como a automação está conectando os dispositivos IoT

A IoT tem muitos usos; no entanto, depende de tecnologias e componentes essenciais para conectar dispositivos à Internet, tais como:

• Sensores para coletar os dados do ambiente para o sistema IoT processá-los

• Conexão e identificação do dispositivo ao sistema IoT através de um endereço IP

• Atuadores que permitem que os dispositivos atuem com base nos dados de seus próprios sensores e no feedback da rede

• Gateway IoT para conectar dados de diferentes dispositivos para chegar à nuvem. Ele também traduz os protocolos dos dispositivos em um protocolo padrão e filtra dados desnecessários dos dispositivos.

• A nuvem, onde todos os dados dos dispositivos IoT são coletados e processados por software

• Interface do usuário, de onde os usuários obtêm os dados dos dispositivos para que possam executar os comandos necessários que os dispositivos precisam executar

A automação une todos esses componentes e garante que os processos funcionem sem problemas, sem o envolvimento de um ser humano.

As vantagens da automação em IoT

A automação oferece muitas vantagens para seus processos de negócios usando IoT.

• Maior tempo de atividade

O tempo de atividade refere-se a quanto tempo sua empresa está aberta ou funcionando. Os funcionários entram e saem em horários específicos, portanto, a menos que seus turnos se sobreponham, sua empresa estará aberta apenas por um número específico de horas todos os dias.

Quando seus processos de negócios são automatizados, não há restrições de tempo, para que seu negócio possa funcionar 24 horas por dia. Seus funcionários não terão que se concentrar em tarefas manuais e repetitivas, liberando-os para trabalhos de nível superior.

Nas fábricas, onde os engenheiros corrigem falhas em máquinas ou outros dispositivos, a automação pode economizar tempo e custos de eficiência porque os bots de software podem identificar a origem exata da falha e notificar os engenheiros para que possam corrigi-la rapidamente e colocar as coisas novamente em funcionamento.

• Eficiência operacional

Na cadeia de suprimentos e no gerenciamento de ativos, a automação e a IoT trazem inteligência por meio de sensores e tecnologias de digitalização. Estes ajudam as empresas a melhorar as tecnologias existentes, como os códigos de barras, complementando-as com identificação passiva por radiofrequência (RFID), como etiquetas de rastreador para realizar contagens cíclicas ou um sistema de posicionamento global (GPS) para gerenciamento de equipamentos e frotas.

• Funcionalidade de construção eficiente

Os edifícios de escritórios também podem tornar-se mais eficientes através da automatização da sua funcionalidade em termos de requisitos ambientais, como iluminação, controlo de umidade e muito mais.

Depois que os bots aprendem os hábitos e preferências dos trabalhadores em cada parte do edifício, não há necessidade de programar os dispositivos inteligentes para funcionarem. As luzes acenderão quando necessário e a temperatura ideal será aplicada com base no ambiente, levando a uma economia significativa de custos nas contas de serviços públicos.

• Conformidade com a segurança

A IoT facilita a segurança no local de trabalho de várias maneiras. Existem vários ativos no local de trabalho que, se equipados com sensores, podem detectar falhas iminentes de peças e alertar o pessoal de manutenção para evitar lesões aos funcionários devido a circunstâncias evitáveis.

Para empresas que lidam com produtos perecíveis – seja uma empresa de produção ou de varejo – a IoT e a automação permitem uma melhor conformidade, garantindo que os produtos alimentícios refrigerados não excedam ou fiquem abaixo dos regulamentos sobre limites de temperatura. Eles podem ajudar a garantir que os clientes obtenham produtos próprios para consumo humano e permitir uma resposta oportuna a quaisquer problemas que surjam para evitar recalls.

• Controle de acesso

A IoT e a automação podem trabalhar juntas para alimentar sistemas de segurança. Uma solução combinada pode reconhecer funcionários autorizados e desbloquear e trancar portas de instalações de alto risco, como cofres de bancos. As tecnologias também podem restringir ou conceder privilégios para operar máquinas específicas.

Dessa forma, a IoT e a automação ajudam a resolver problemas de conformidade, eficiência, segurança e outros problemas antigos.

• Aprimoramento das percepções do cliente

Para empresas de varejo, sensores e beacons de localização podem produzir insights valiosos sobre o comportamento do cliente, ao mesmo tempo em que auxiliam os clientes de diversas maneiras, como fornecendo instruções para navegar na loja ou encontrar os produtos desejados.

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• Aumento das conversões

As tecnologias de geofencing e localização podem fornecer insights que as empresas podem usar para ver as áreas com maior tráfego na loja e tomar melhores decisões sobre estoque, layout e promoções de produtos digitais e na loja. Eles também podem revelar os tipos de clientes que visitam o local em diferentes horários do dia, durante todo o ano.

• Operações no setor público

Para governos e setores relacionados com serviços, a IoT e a automação podem oferecer inúmeros benefícios. As concessionárias do setor público podem usar aplicativos habilitados para IoT para ajudar no gerenciamento do tráfego, na governança da cidade, na segurança pública e no gerenciamento de recursos.

• Benefícios de saúde

Os dispositivos IoT podem ajudar médicos e outras equipes médicas a monitorar seus pacientes remotamente, especialmente se estiverem em condições perigosas. Eles também podem ajudar os administradores hospitalares a monitorar ativos, por exemplo, determinando a disponibilidade de leitos hospitalares.

• Benefícios na agricultura

Os agricultores — especialmente aqueles com operações em grande escala — podem aplicar soluções agrícolas inteligentes para monitorizar campos de cultivo utilizando sensores e automatizar sistemas de irrigação a partir de qualquer lugar. Os proprietários de gado podem utilizar aplicativos IoT sem fio para obter dados sobre a saúde e o bem-estar de seu gado, inclusive quando estão doentes, para evitar a propagação de doenças ou quando estão prestes a dar à luz e onde podem ser encontrados.

• Benefícios para os consumidores

Os consumidores também têm muito a ganhar com a automação e a IoT. Desde wearables, como smartwatches ou rastreadores de fitness, que ajudam os usuários a entender melhor sua saúde, até alto-falantes inteligentes como o Google Home, que facilitam a obtenção de informações, o ajuste de cronômetros ou até mesmo a reprodução de música.

Na cozinha, os frigoríficos inteligentes enviam alertas sobre o stock disponível, as lâmpadas inteligentes fazem parecer que está em casa quando não está, os plugs inteligentes conservam energia e reduzem custos e os termostatos inteligentes aquecem a casa antes de voltar.

Estas são apenas a ponta do iceberg porque os usos potenciais da IoT e da automação são quase ilimitados.

Internet das Coisas Industrial (IIoT)

A Internet das Coisas Industrial (IIoT) refere-se a sensores, instrumentos e outros dispositivos interconectados, conectados em rede com aplicações industriais de computadores, incluindo fabricação, gerenciamento de energia e sistema de alertas. Esta conectividade permite a coleta, troca e análise de dados, facilitando potencialmente melhorias na produtividade e eficiência, bem como outros benefícios económicos.

O termo Internet das Coisas Industrial é frequentemente encontrado nas indústrias de manufatura, referindo-se ao subconjunto industrial da IoT. Os benefícios potenciais da Internet das Coisas industrial incluem maior produtividade, análise e transformação do local de trabalho. Prevê-se que o potencial de crescimento através da implementação da IIoT gere 15 biliões de dólares do PIB global até 2030.

Embora a conectividade e a aquisição de dados sejam fundamentais para a IIoT, não são os objetivos finais, mas sim a base e o caminho para algo maior. De todas as tecnologias, a manutenção preditiva é uma aplicação “mais fácil”, pois é aplicável a ativos e sistemas de gestão existentes. Os sistemas de manutenção inteligentes podem reduzir o tempo de inatividade inesperado e aumentar a produtividade, que se prevê poupar até 12% em relação às reparações programadas, reduzir custos gerais de manutenção de até 30% e eliminação de avarias de até 70%, de acordo com alguns estudos.

A integração de sistemas de detecção e atuação conectados à Internet pode otimizar o consumo de energia como um todo. Espera-se que os dispositivos IoT sejam integrados em todas as formas de dispositivos consumidores de energia (interruptores, tomadas, lâmpadas, televisores etc.) e sejam capazes de se comunicar com a empresa fornecedora de serviços públicos, a fim de equilibrar efetivamente a geração e o uso de energia. Além da gestão de energia baseada em residências, a IIoT é especialmente relevante para a Smart Grid, uma vez que fornece sistemas para coletar e agir sobre energia e informações relacionadas à energia de forma automatizada, com o objetivo de melhorar a eficiência, confiabilidade, economia e sustentabilidade do produção e distribuição de eletricidade. Usando dispositivos de infraestrutura de medição avançada (AMI) conectados ao backbone da Internet, as concessionárias de energia elétrica podem não apenas coletar dados de conexões de usuários finais, mas também gerenciar outros dispositivos de automação de distribuição, como transformadores.

Segurança

À medida que a IIoT se expande, surgem novas preocupações de segurança. Cada novo dispositivo ou componente que se conecte à IIoT pode tornar-se um risco potencial. A Gartner estima que, até 2020, mais de 25% dos ataques reconhecidos às empresas envolverão sistemas conectados à IoT, apesar de representarem menos de 10% dos orçamentos de segurança de TI. As medidas de cibersegurança existentes são muito inferiores para dispositivos ligados à Internet em comparação com os seus equivalentes informáticos tradicionais, o que pode permitir que sejam sequestrados para ataques baseados em DDoS por botnets como o Mirai. Outra possibilidade é a infecção de controladores industriais conectados à Internet, como no caso do Stuxnet, sem a necessidade de acesso físico ao sistema para espalhar o worm.

Além disso, os dispositivos habilitados para IIoT podem permitir formas mais “tradicionais” de crime cibernético, como no caso da violação de dados da Target em 2013, onde informações foram roubadas depois que hackers obtiveram acesso às redes da Target por meio de credenciais roubadas de um fornecedor terceirizado de HVAC. Uma das dificuldades em fornecer soluções de segurança em aplicações IIoT é a natureza fragmentada do hardware.

Indústria de petróleo e gás

Com o suporte da IIOT, grandes quantidades de dados brutos podem ser armazenadas e enviadas pelos equipamentos de perfuração e estações de pesquisa para armazenamento e análise em nuvem. Com as tecnologias IIOT, a indústria do petróleo e do gás tem a capacidade de ligar máquinas, dispositivos, sensores e pessoas através da interconectividade, o que pode ajudar as empresas a lidar melhor com as flutuações na procura e nos preços, a abordar a segurança cibernética e a minimizar o impacto ambiental.

Em toda a cadeia de abastecimento, a IIOT pode melhorar o processo de manutenção, a segurança geral e a conectividade. Os drones podem ser usados para detectar possíveis vazamentos de petróleo e gás numa fase inicial e em locais de difícil acesso (por exemplo, offshore). Eles também podem ser usados para identificar pontos fracos em redes complexas de dutos com sistemas de imagem térmica integrados. O aumento da conectividade (integração e comunicação de dados) pode ajudar as empresas a ajustar os níveis de produção com base em dados em tempo real de inventário, armazenamento, ritmo de distribuição e demanda prevista. Por exemplo, um relatório da Deloitte afirma que, ao implementar uma solução IIOT que integra dados de múltiplas fontes internas e externas (tais como sistema de gestão de trabalho, centro de controle, atributos de pipeline, pontuações de risco, resultados de inspeções em linha, avaliações planejadas e histórico de vazamentos), milhares de quilômetros de tubulações podem ser monitorados em tempo real. Isto permite monitorizar as ameaças às condutas, melhorar a gestão dos riscos e proporcionar um conhecimento situacional.

A aplicação de sensores inteligentes e perfuradores automatizados dá às empresas a oportunidade de monitorar e produzir com mais eficiência. Além disso, o processo de armazenamento também pode ser melhorado com a implementação da IIOT, através da recolha e análise de dados em tempo real para monitorizar os níveis de inventário e o controle de temperatura. A IIOT pode melhorar o processo de transporte de petróleo e gás através da implementação de sensores inteligentes e detectores térmicos para fornecer dados de geo-localização em tempo real e monitorizar os produtos por razões de segurança. Esses sensores inteligentes podem monitorar os processos da refinaria e aumentar a segurança. A demanda por produtos pode ser prevista com mais precisão e comunicada automaticamente às refinarias e plantas de produção para ajustar os níveis de produção.

Internet das Coisas com ESP32

O ESP32 vem sendo utilizado em diversas aplicações, inclusive industriais. Aproveitando os recursos de conectividade e o poder de processamento, aliados ao baixo custo, permite o desenvolvimento de diversos tipos de controladores e sensores.