TCC - Internet das Coisas IoT na Mineração Aumento da Produtividade

Universidade Federal de Minas Gerais Departamento de Engenharia de Minas Trabalho de Conclusão de Curso Professor orientador Alizeibek Saleimen Nader Hugo Alexandre Garcia Gonçalves A INTERNET DAS COISAS NA MINERAÇÃO Belo Horizonte 2018 Resumo O mundo da produção mineral gira em torno do aumento da produtividade Por trabalhar em especial com commodities o único modo de aumentar os lucros é reduzir os custos com a produção pois as especificações e o preço dos produtos são padronizados Nesse contexto surgem as alternativas tecnológicas como uma resposta à necessidade de se produzir mais com menos gastos Esse trabalho de revisão busca descrever o conceito de internet das coisas IoT do inglês Internet of Things mostrar o histórico de desenvolvimento da tecnologia e estabelecer uma diretriz teórica para a implantação de um projeto de IoT num empreendimento minerário Também serão apresentados estudos de caso vantagens e desvantagens de soluções baseadas nessa tecnologia Palavras chave Mineração Internet das coisas IoT Tecnologia Sensores Tecnologia na mineração Produtividade Trabalho de conclusão de curso Abstract The mineral production world revolves around a productivity increase As it works with commodities the only way to increase profits is by reducing production costs because the product specifications and price are standardized In this context technological alternatives appear as an answer to the necessity of producing more while reducing costs This revision paper seeks do describe the Internet of Things IoT concepts show briefly the technology development historic and establish a theoretical guideline for the implementation of an IoT project in a mining venture Case studies advantages and disadvantages of solutions based on this technology will also be presented Keywords Mining Internet of Things IoT Technology Sensors Mining technology Productivity Undergraduate Thesis Sumário 1 INTRODUÇÃO 1 2 CRITÉRIOS ADOTADOS PARA A REVISÃO 2 3 OBJETIVO E RELEVÂNCIA 2 4 O CONCEITO 3 5 HISTÓRICO E POSIÇÃO NOS DIAS DE HOJE 4 6 ASPECTOS TÉCNICOS 8 61 Sensores 8 611 Sensores piezoelétricos 10 612 Sensores de pressão 10 613 Sensor de temperatura 11 614 Transdutor ultrassônico 12 62 Rede 12 621 Modelo de rede hierárquica 13 622 Aplicações do design 16 623 Mineração subterrânea 18 63 Servidor 18 631 Servidor torre 19 632 Servidor rack 19 633 Servidor blade 19 64 Interpretação de dados e automação 20 641 Arduíno 21 7 DISCUSSÃO 22 8 EXEMPLOS DE APLICAÇÃO 22 81 Fortescue metals group 23 82 Goldcorp 23 83 Rio Tinto 23 84 Dundee Precious Metals 24 9 IMPACTOS GERADOS PELA IMPLEMENTAÇÃO DA IOT 25 10 CONCLUSÃO 26 11 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS 28 12 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 29 1 1 Introdução A melhor forma de prever o futuro é criálo Peter Drucker O termo internet das coisas do inglês Internet of Things IoT pode ser conceituado como uma rede de objetos físicos veículos prédios e outros que possuem tecnologia embarcada sensores e conexão com rede capaz de coletar e transmitir dados Como todas as novas tecnologias ela surgiu como uma proposta promissora e inovadora capaz de possibilitar a integração de diversos objetos do cotidiano a sistemas computacionais promovendo automação de diversas atividades humanas e assim maior eficiência Para que a IoT possa existir são necessários alguns elementos como os sensores instalados na máquina e a rede que transportará as informações provenientes dos diversos sensores instalados no local de interesse A partir daí é possível escolher o caminho que os dados obtidos farão Eles podem ser enviados diretamente para dispositivos móveis como tablets ou smartphones acelerando as tomadas de decisões ou podem ser enviados para um servidor capaz de tratalos rapidamente e reenviar novas instruções quando necessário Esses elementos serão estudados em detalhe nesse trabalho Por ser um recente o potencial para inovações que levem a uma redução no custo de investimento é alto Isso significaria uma outra vantagem da IoT um baixo custo de investimento e de operação comparado aos possíveis ganhos em produtividade uma vez que sua aplicação depende de tecnologias bastante acessíveis como sensores smartphones tablets computadores e acesso a uma rede onde todas essas máquinas possam se comunicar Dentre esses elementos citados o que pode apresentar maior custo e problemas é a instalação da rede Barbosa 2016 Na mineração a aplicação da IoT promete benefícios como o aumento do nível de automação e melhorias na eficiência da produção e nas tomadas de decisão tornando a empresa mais competitiva no mercado Diante do exposto acima esse trabalho tem por objetivo conceituar estabelecer diretrizes básicas para a implantação da IoT em empresas de 2 mineração e mostrar estudos de casos que exemplifiquem o potencial dessas novas tecnologias Após serão discutidas as principais barreiras que a IoT deverá enfrentar como problemas técnicos e de segurança Por fim serão apresentadas ideias e propostas para resolução dos problemas mais comuns 2 Critérios adotados para a revisão Para essa revisão bibliográfica foram escolhidos artigos em português e inglês que apresentavam os principais temas e palavras chave das diversas seções desse trabalho Os conceitos de rede e de toda a tecnologia da informação são bem recentes As tecnologias para a Internet das coisas é ainda mais Devido a isso não há disponível grande quantidade de literatura formal sobre o tema Especificamente na mineração a quantidade de artigos publicados disponível é extremamente limitada Tal limitação apesar de dificultar a realização desse trabalho justifica a pesquisa e desenvolvimento nessa área que promete modificar bastante o papel do ser humano em trabalhos de mineração e em diversas outras áreas Devido à escassez de bibliografia formal foram utilizados vários sites de empresas alguns blogs e artigos de notícias e tecnologia para descrever o funcionamento de uma rede de IoT e exemplificar usos na mineração 3 Objetivo e relevância O presente trabalho tem como objetivo revisar o que é a Internet das Coisas algumas possíveis aplicações na mineração e os principais aspectos técnicos para a implantação de um projeto de IoT numa mineradora Com a evolução da tecnologia e a necessidade de reduzir custos na mineração tornase interessante estudar a possibilidade de implantação de redes e sensores no ambiente mineiro de forma a ganhar produtividade Para isso é preciso conhecer as alternativas disponíveis e possibilidades de pesquisa e desenvolvimento 3 4 O conceito A IoT nos modelos que a entendemos hoje é um conceito muito recente Ainda em 2010 Mckinsey e Company se pronuncia sobre essa tecnologia que começava a surgir Quando objetos puderem sentir o ambiente e se comunicar eles se tornam ferramentas para entender a complexidade e responder a ela rapidamente O que é revolucionário em tudo isso é que esses sistemas de informação física estão começando a ser implantados e alguns deles funcionam quase que sem intervenção humana Copyright 2010 McKinsey Company The Internet of Things Michael Chui Markus Lšffler and Roger Roberts A ideia de uma rede de objetos conectados e que trocam informação entre si é muito ampla o que dificulta a conceituação do termo Internet das Coisas Essa ideia não é nova segundo a organização europeia The Internet of Things Council durante os anos 80 antes de ser possível a aplicação de soluções com esse tipo de tecnologia projetos semelhantes já eram tratados por diferentes nomes como mostra o trecho a seguir A partir dos anos 80 surgiram termos diferentes ambient intelligence calm computing ubicomp computação difundida A maioria impulsionada por players industriais como a Philips e a IBM Uma característica dominante une essas diferentes perspectivas uma sensação de que a conectividade com a Internet está se tornando cada vez mais onipresente e difundida Em outras palavras a ideia de que eventualmente tudo incluindo artefatos físicos mundanos será conectado KRANENBURG et al 2011 p 5 A evolução da IoT veio acompanhada do aumento da conectividade que ocorreu principalmente devido aos avanços das redes sem fio tornando universal o acesso e a transmissão de dados ALMEIDA 2015 Nas palavras de Almeida 2015 Internet das Coisas referese à integração de objetos físicos e virtuais em redes conectadas à Internet permitindo que coisas coletem troquem e armazenem uma enorme quantidade de dados numa nuvem Esses dados são posteriormente processados e 4 analisados gerando informações e serviços em grande escala e com uma infinidade de aplicações O conceito proposto pela Strategic Research Agenda da Cluster of European Research Projects on the Internet of Things CERPIoT de 2009 é aceito no que tange ao tipo de tecnologia utilizada como é mostrado a seguir Uma infraestrutura de rede global e dinâmica com recursos de autoconfiguração baseados em protocolos de comunicação padrão e interoperáveis onde coisas físicas e virtuais têm identidades atributos físicos e personalidades virtuais e usam interfaces inteligentes e são perfeitamente integrados à rede de informações Na IoT esperase que as coisas se tornem participantes ativos nos processos de negócios informações e sociais onde eles possam interagir e se comunicar entre si e com o ambiente trocando dados e informações sentidos pelo ambiente enquanto reage de maneira autônoma a eventos do mundo real físico e influenciandoo através da execução de processos que acionam ações e criam serviços com ou sem intervenção humana direta Interfaces na forma de serviços facilitam as interações com essas coisas inteligentes pela Internet questionam e alteram seu estado e qualquer informação associada a elas levando em conta questões de segurança e privacidade CERP IoT 2011 p 10 Essa definição é bastante ampla e define a IoT pelo o que ela faz conectar objetos dotados da capacidade de agirem por conta própria com ou sem supervisão humana Assim no que tange ao usuário a proposta da IoT é simples e clara a informação estará disponível em qualquer lugar e em qualquer momento de maneira integrada às atividades do dia a dia ALMEIDA 2015 5 Histórico e posição nos dias de hoje Para compreender melhor o futuro é preciso olhar para o passado Entender como esse conceito se desenvolveu é fundamental para compreender como continuará a se desenvolver e suas potenciais aplicações Como dito anteriormente a ideia de objetos conectados e que trocam informação entre si não é nova Em 1832 foi criado o primeiro telégrafo eletromagnético No ano seguinte Carl Friedrich Gauss e Wilhelm Weber 5 inventaram o próprio código e foram capazes de se comunicar a uma distância de 1200m POSTSCAPES 2018 Onze anos depois em 1844 Samuel Morse marcou a história da comunicação enviando a primeira mensagem em código morse What hath God wrought Entretanto somente em 1926 a ideia de um planeta conectado foi exposta publicamente Nikola Tesla em uma entrevista à revista Colliers disse Quando o wireless for perfeitamente aplicado toda a terra será convertida em um gigantesco cérebro o que de fato ela é com todas as coisas sendo partículas de um inteiro real e rítmico os instrumentos através dos quais poderemos fazer isso serão incrivelmente simples comparados ao nosso telefone atual COLLIERS 1926 Em 1950 Alan Turing em seu artigo Computing Machinery and Intelligence no Oxford Mind Journal disse devese prover a máquina com os melhores órgãos sensoriais que o dinheiro pode comprar então ensinála a entender e falar inglês Surgia então a ideia de criar máquinas capazes de sentirem o mundo físico real e de se comunicarem conosco Nasciam os sensores e as interfaces intuitivas ao usuário Surge em 1969 a ARPANET Advanced Research Projects Agency Network uma rede primitiva capaz de realizar troca de pacotes Ela também foi a primeira rede a implementar o protocolo TCPIP As duas tecnologias se tornaram a base técnica da internet como conhecemos hoje Com o crescimento da ARPANET em 1984 o sistema de nomes de domínios DNS foi introduzido Em resumo o DNS traduz o nome de domínios sites para o endereço IP necessário para localizar e identificar serviços e dispositivos que estão sob o protocolo da rede Ele se tornou um componente essencial para garantir a funcionalidade da rede mundial de computadores WWW que seria proposta por Tim BernersLee em 1989 Considerado o primeiro dispositivo a utilizar IoT John Romkey criou em 1990 uma torradeira que poderia ser ligada e desligada através da internet Seguindo essa mesma linha de uma IoT primordial em 1993 Quentin Stafford Fraser e Paul Jardetzky criaram a cafeteira da sala de Tróia Ela ficava localizada no laboratório de computadores da universidade de Cambridge e era monitorada através de imagens que eram atualizadas três vezes por minuto e 6 enviadas ao servidor do prédio Mais tarde com o desenvolvimento dos navegadores de internet ela foi colocada online Finalmente em 1999 o termo internet das coisas foi criado por Kevin Ashton diretor executivo da AutoID Center Posso estar errado mas tenho quase certeza de que a frase Internet das Coisas ganhou vida como o título de uma apresentação que eu fiz no Procter Gamble PG em 1999 O Cisco Internet Business Solutions Group estima que a IoT efetivamente nasceu entre 2008 e 2009 como mostrado na figura abaixo Figura 1 Surgimento da IoT Em 2003 havia aproximadamente 63 bilhões de pessoas no mundo e 500 milhões de dispositivos conectados à Internet o que resulta em aproximadamente 008 dispositivos conectados por pessoa Em 2015 observou se um crescimento explosivo de smartphones e tablets o que levou o número de dispositivos conectados à Internet para 125 bilhões Pela primeira vez na história o número de dispositivos conectados por pessoa foi superior a 1 exatamente 184 EVANS 2011 O IPV6 é lançado publicamente em 2011 Esse novo protocolo permite até 2128 endereços diferentes Para entender o tamanho desse número Steven Leibson disse Poderíamos designar um endereço IPV6 para cada átomo na superfície terrestre e ainda ter endereços suficientes para mais de 100 outras terras 7 Também em 2011 algumas plataformas de hardware como o Arduíno começam a ganhar espaço e fazer com que a IoT se torne acessível a quaisquer pessoas que tenham interesse pelo tópico POSTSCAPES 2018 Surgiram também termos vinculados à IoT como Big Data Analytics e mais recentemente Machine Learning que passaram a ser alvo de atenção por parte das empresas Na indústria é através desses recursos que são melhores aproveitados os benefícios da IoT É possível por exemplo transformar os dados em informação relevante para o usuário ou apresentar a informação de forma eficaz e eficiente auxiliando na tomada rápida de decisões e consequentemente aumentando a produtividade ALMEIDA 2015 Inclusive através desses instrumentos está se tornando possível automatizar e até mesmo melhorar os efeitos das tomadas de decisões pois diferentemente dos humanos um computador é capaz de decidir algo somente com base em dados sem ser afetado por emoções o que pode ser benéfico para alguns setores BECHARA et al 2000 A IoT hoje está se tornando significativa na economia Estimase que para os diversos usos doméstico e industrial o valor esteja na ordem de bilhões de dólares conforme previsão do site Statista ilustrado na figura a seguir Fonte Statista Figura 2 Impacto estimado da IoT em diversos mercados A empresa de consultoria Gartner divulga anualmente um infográfico chamado Hype Cycle Ele mostra as tendências futuras para as tecnologias emergentes Em 2014 a IoT estava no topo das expectativas infladas o que 8 significa que se esperava demais dessa tecnologia até mais do que ela realmente é capaz de fazer Hoje após 4 anos em que esse gráfico foi elaborado é seguro dizer que o conceito de internet das coisas começa a ser realmente colocado em prática de forma produtiva e condizente com a realidade de suas limitações GARTNER 2014 6 Aspectos técnicos Para um sistema que utilize IoT funcionar são necessários três elementos básicos sendo eles os sensores que servirão para avaliar as variáveis de importância para o objeto em estudo a rede que agirá conectando todos os sensores instalados nas máquinas o servidor que receberá todos os dados obtidos e deve ser capaz de interpretálos de forma a possibilitar a tomada de decisão por parte de um gestor 61 Sensores A definição de sensores segundo a Pontifícia Universidade Católica do Rio grande do Sul é Sensores são dispositivos amplamente utilizados na automação industrial que transformam variáveis físicas como posição velocidade temperatura nível pH etc em variáveis convenientes unidades de engenharia Se estas são elétricas a informação pode ser associada ou à tensão ou à corrente sendo o segundo caso mais usual porque implica em um receptor de baixa impedância e portanto maior imunidade à captação de ruídos eletromagnéticos Atualmente em ambientes mais ruidosos e com distâncias maiores é amplamente utilizada a transmissão por fibras óticas Sensores industriais 2015 PUCRS Ao longo dos anos os sensores tornaramse peça fundamental na automação dos mais diversos negócios Industrialmente são amplamente utilizados em linhas de montagem e de produção para garantir a qualidade e a rápida obtenção de informação sobre os produtos que estão na linha 9 Na mineração como parte integrante da indústria não poderia ser diferente Existem também diversos tipos de sensores que podem ser aplicados nas mais variadas funções Há sensores para várias aplicações Os tipos de sensores industriais mais comuns são Sensores de Pressão Sensores de Temperatura Sensores de Nível Sensores de Vazão e ainda os mais comuns indutivo capacitivo fotoelétrico magnético e ultrassônico ENGEREY 2017 Com essa variedade é possível medir diversas variáveis operacionais que afetam a qualidade da operação de lavra ou beneficiamento como por exemplo a pressão interna de pneus de caminhões ou de uma coluna de flotação a temperatura dos componentes dos equipamentos o teor de metais pesados num efluente da usina entre várias outras possibilidades Eles podem ser divididos em dois principais grupos os sensores discretos e os sensores de medição também chamados transdutores Os sensores discretos emitem sinais binários de saída 1 ou 0 ligado ou desligado Eles são muito utilizados industrialmente para detectar a chegada de objetos em um determinado local ou para realizar contagens Já os transdutores realizam medidas contínuas O sinal de saída representa a amplitude do sinal de entrada ou seja é possível medir variáveis muito mais complexas O sinal de saída pode ser analógico ou digital o que facilita o envio e leitura dos dados obtidos Devido a isso são utilizados em controles dinâmicos de processos PUCRS 2015 Apesar da nomenclatura distinta transdutores e sensores discretos são comumente chamados somente de sensores Dessa forma todos os equipamentos utilizados para medir uma variável e fornecer um sinal de saída como resposta serão tratados aqui como sensores Na mineração em especial esses equipamentos precisam de um certo cuidado maior em sua fabricação pois o ambiente de mina é marcado por adversidades como poeira umidade gelo e vibrações Como exemplo as principais características exigidas para um sensor de vibração destacamse Robustez física Partículas em suspensão e alto nível de vibrações Precauções contra corrosão Ambiente empoeirado e corrosivo Boa relação sinalruído Para detecção de defeitos em rolamentos 10 A seguir temos os principais sensores utilizados nas mais diversas aplicações e que possuem grande possibilidade de aplicação também na mineração 611 Sensores piezoelétricos Sensores piezoelétricos possuem a principal função de converter energia mecânica em energia elétrica Da mesma forma energia elétrica também pode ser convertida em energia mecânica através do efeito piezoelétrico Eles podem ser utilizados para identificar problemas com motores como batidas resultantes de má combustão interna O carregamento do motor também pode ser determinado calculando a pressão absoluta o que pode ser feito utilizando esse tipo de sensor em sistemas de injeção de combustível 612 Sensores de pressão Esse tipo de sensor transforma a pressão local em sinais elétricos Também são conhecidos como indicadores de pressão manômetros e piezômetros Eles são utilizados para medir a pressão de gases ou líquidos Suas aplicações envolvem medições de altitude profundidade fluxo e de vazamentos O seu funcionamento é ilustrado na figura a seguir Fonte Elprocus 11 Figura 3 Sensor de pressão O diafragma é primeiramente calibrado em um local com pressão conhecida Quando a pressão muda ele pressiona o cristal no interior do sensor gerando uma deformação mecânica que é transformada em sinal elétrico através do efeito piezoelétrico Esse sinal é então enviado ao output e interpretado 613 Sensor de temperatura Sensores de temperatura são dispositivos elétricos usados para converter a temperatura de alguma coisa em outra forma de energia como a elétrica pressão ou mecânica Os transdutores de temperatura são utilizados para medir a temperatura de diversos equipamentos de forma que se possa monitorar e até mesmo automatizar o controle térmico Um esquema simples de controle de temperatura é descrito a seguir uma placa Arduíno pode ser utilizada para controlar as várias funções de um esquema de medição incluindo a conversão de um tipo de sinal analógico para outro digital A temperatura medida pode ser exibida em um display Baseado no valor obtido para a temperatura um pulso modulado é gerado pelo programa do 12 Arduíno e o output gerado é utilizado para controlar um cooler através do motor conectado ao sistema AGARWAL 2018 614 Transdutor ultrassônico Transdutores ultrassônicos são um tipo de sensores acústicos que podem ser divididos em três categorias transmissores receptores e transceptores Os transmissores convertem sinais elétricos em ultrassom os receptores convertem ultrassom em sinais elétricos e os transceptores são capazes de emitir e receber ultrassom Sua principal aplicação é em medir distâncias baseado na reflexão do som emitido e recebido Com base nessa medição contínua de distâncias é possível utilizar esses sensores para obter imagens de vídeo de locais inacessíveis ou escuros Também é possível utilizálos como sensor de presença ou de movimentação O uso de alguns desses sensores ou de combinações entre eles é potencialmente capaz de monitorar e até automatizar diversas operações de mina ou de usina Como exemplos mais óbvios temos sistemas automáticos de despacho monitoração da vibração de equipamentos para realizar manutenção preditiva e controle de variáveis da usina como pressão pH Entretanto os sensores sozinhos não são capazes de realizar nada sem terem o seu output interpretado Para isso é necessário um meio de transmissão de dados para o servidor Esse meio é chamado de rede e pode ser estruturado basicamente por cabos de fibra ótica por ondas de rádio WiFi ou por uma combinação dos dois 62 Rede A rede atua como o meio de conexão entre os sensores e o servidor ou usuário final É por ela que a informação passa antes de ser interpretada Na mineração a sua estruturação representa um desafio dado que as mudanças constantes na topografia que é muitas vezes irregular implicam em uma maior dificuldade para que as ondas de rádio cheguem ao equipamento o que resulta em perdas de pacotes de dados corrompendo a mensagem Em alguns casos onde não há a necessidade da informação em tempo real isso não é tão prejudicial Porém em casos de sistemas de despacho ou de equipamentos 13 teleguiados espaços da mina sem sinal podem representar perdas expressivas de produtividade Barbosa 2016 A solução encontrada hoje em dia por diversas minas que utilizam sistemas de despacho é a utilização de uma torre de telecomunicação posicionada em um local ótimo de forma que consiga fornecer sinal para toda a mina durante a operação Esse método é caro pois além dos altos custos de instalação da torre ele exige o mapeamento da intensidade dos sinais de rádio na topografia local Esse alto custo pode inviabilizar um projeto de IoT num empreendimento minerário Para pensar em soluções relativamente baratas é preciso pensar em termos de design de rede Assim como cada rota de beneficiamento segue um caminho diferente dependendo da caracterização do minério o design da rede também deve ser bem específico à mina devido às diversas condições geológicas e topográficas que podem existir Entretanto é possível pensar em um modelo geral de rede que pode ser adaptado às necessidades especificas Nesse contexto o design de rede que mais demonstra flexibilidade é o hierárquico 621 Modelo de rede hierárquica Ao criar uma rede local que atenda às necessidades de uma empresa pequena ou média é mais provável que haja êxito no seu plano caso seja usado um modelo de design hierárquico Comparada com outros designs de rede uma rede hierárquica é mais fácil de gerenciar e expandir e os problemas são resolvidos mais rapidamente O design de rede hierárquico envolve a divisão da rede em camadas discretas facilitando escalabilidade e desempenho São divididos em três camadas acesso distribuição e núcleo Fonte CCNA Exploration 14 Figura 4 Modelo hierárquico de rede Na camada de acesso é onde há a conexão com os dispositivos finais Ela faz uma interface com os PCs impressoras smartphones tablets e qualquer dispositivo capaz de ler os dados e interagir com o usuário final fornecendo acesso ao restante da rede Nessa camada podem estar os roteadores switches bridges hubs e pontos de acesso sem fio Possui dois principais propósitos Fornecer um meio de conectar dispositivos à rede e agir como uma primeira barreira de segurança controlando as permissões de acesso A camada de distribuição é responsável por receber os dados dos switches da camada de acesso agregalos e transmitilos para a camada de núcleo Nela é feito o controle de fluxo de tráfego da rede utilizando políticas que podem ser com base na necessidade de rede de determinada operação e determina domínios de broadcast um segmento de rede no qual qualquer dispositivo conectado à rede é capaz de se comunicar com outro sem a necessidade de dispositivos de roteamento ou seja é possível enviar determinada informação a todos os dispositivos conectados na rede independentemente das permissões Essa camada também realiza funções de roteamento entre redes locais virtuais VLANs As VLANs permitem segmentar o tráfego de um switch em subredes separadas Os switches dessa camada de distribuição devem ser dispositivos de alto desempenho com alta disponibilidade e com redundância para assegurar que pacotes não se perderão e a informação sempre chegará ao núcleo A camada de núcleo é o backbone da rede Sua principal característica é a alta velocidade do fluxo de dados Por ser essencial à conectividade entre os dispositivos da camada de distribuição é extremamente importante que o núcleo seja altamente disponível e redundante Ele também deve ser capaz de encaminhar grandes quantidades de dados rapidamente Essa camada pode se 15 conectar a recursos de Internet e à nuvem o que pode possibilitar ainda mais velocidade na comunicação e novas soluções para a empresa CISCO 2014 Existem muitos benefícios associados ao design hierárquico de rede Podemos listar 1 Escalabilidade A modularidade do design permite replicar os elementos à medida em que a rede cresce É fácil adicionar mais switches nas camadas de distribuição e núcleo quando a demanda crescer 2 Redundância Em operações minerarias a disponibilidade da rede pode ou não ser um fator limitante Nos casos em que isso é um problema é preciso garantir a disponibilidade Para isso os switches de uma camada inferior são conectados a dois ou mais switches de uma camada superior o que aumenta drasticamente a disponibilidade 3 Desempenho O alto desempenho dos switches de núcleo e de distribuição permitem taxas de transmissão altas próximo ao máximo suportado em toda a rede 4 Segurança O fato de ser possível gerenciar quem pode se conectar à rede ainda na camada de acesso cria uma ótima parede inicial A opção de se utilizar políticas de segurança mais avançadas na camada de distribuição contribui ainda mais para uma rede segura 5 Gerenciamento Cada camada do design executa funções específicas e consistentes facilitando a realização de possíveis alterações necessárias na rede Ao iniciar a seleção de equipamentos na camada de acesso devese assegurar que todos os dispositivos de rede que precisam de acesso à rede estão acomodados Depois de contabilizar todos os dispositivos finais é possível estimar melhor a quantidade de switches na camada de acesso O número de switches da camada de acesso e o tráfego estimado que cada um gera ajuda a determinar quantos switches da camada de distribuição serão obrigatórios para obter o desempenho e a redundância necessários para a rede Depois de determinar o número de switches da camada de distribuição é possível 16 identificar quantos switches do núcleo são obrigatórios para manter o desempenho da rede PRISCILA 2011 622 Aplicações do design Como já foi dito um design de rede na mineração deve levar em conta a variação na topografia pois essa mudança na geometria do local altera a propagação das ondas de rádio e pode gerar zonas sem sinal Isso é um problema constante quando se pensa num design em que os únicos elementos da rede são a antena de telecomunicações os sensores e computadores conectados Existem poucos estudos relacionados a diferentes modos de transmissão de dados num ambiente de mineração porém com os conhecimentos sobre o design hierarquizado de rede que foi exposto acima podese pensar em algumas soluções plausíveis para se obter maior disponibilidade desempenho e menor custo Uma opção é a possibilidade de se adicionar repetidores de sinal em todos os equipamentos Um repetidor wireless típico de mina pode ser visto a seguir Fonte MST Figura 5 Repetidor de sinal Nesse caso os sensores de determinado equipamento são conectados diretamente a esses dispositivos Assim esses repetidores tornamse parte da camada de acesso Eles se comunicam sem fio com roteadores de sinal 17 localizados em pontos estratégicos da mina Esses roteadores por sua vez são conectados a switches redundantes através de cabos ethernet compondo a camada de distribuição Por fim esses switches seriam conectados aos switches da camada núcleo através de cabos de fibra ótica Figura 6 Caminhões e escavadeiras conectadas a uma rede hierarquizada Fonte Modificado de Web Póvoa A figura esquematiza como seria a rede descrita Como cada equipamento possui um repetidor eles também podem agir como parte da camada de distribuição em locais mais afastados onde o sinal do roteador não consegue alcançar Apesar de não permitir redundância tornando a rede menos disponível no trecho em que essa é a única opção essa estratégia de utilizar os próprios equipamentos como repetidores móveis de sinal pode ser capaz de reduzir custo com switches roteadores e cabos Para facilitar o gerenciamento os equipamentos ou peças monitoradas podem ser divididos em VLANs Por exemplo uma rede virtual para os caminhões outra para as escavadeiras outra para os sensores dos pneus e assim por diante Essa divisão em redes virtuais também permite que maior largura de banda seja alocada para onde há maior necessidade Por exemplo uma escavadeira teleguiada que envia áudio e vídeo demanda muito mais da rede do que um sensor de vibração portanto mais banda deve ser alocada para a escavadeira 18 623 Mineração subterrânea No caso de minas subterrâneas é muito mais intuitivo pensar em um design semelhante para a rede O espaço confinado inviabiliza o uso de WiFi por longas distâncias sendo necessário utilizar cabos de fibra ótica para conectar todos os switches Apesar de seguir um conceito semelhante ao exposto anteriormente é preciso salientar alguns problemas específicos do ambiente subterrâneo Solomon 2013 Por ser um ambiente fechado de mina o sinal pode atingir determinados minerais ferrosos o que aumenta a probabilidade de alguns bits serem flipados 1 se tornar 0 e viceversa corrompendo a mensagem Isso faz com que seja necessário um número maior de elementos de rede roteadores switches encarecendo o projeto Um segundo problema é a necessidade de se possuir equipamentos de rede bem preparados para condições adversas O ambiente da uma mina subterrânea é hostil para esse tipo de dispositivo normalmente frágil Poeira umidade frio calor sujeira detonações e ocasionais batidas de um equipamento pesado fazem parte da rotina de um roteador nesses locais Para manter uma disponibilidade alta e facilitar a manutenção é preciso mais do que um design de rede bom mas é também necessário o uso de equipamentos robustos A Dundee Precious Metals foi capaz de implantar um projeto de IoT em sua operação reduzindo os custos com comunicação e aumentando a produtividade O estudo de caso será relatado mais à frente 63 Servidor Quando a rede se torna grande demais é necessário utilizar um servidor para realizar diversas funções auxiliando na velocidade e segurança Um servidor é um sistema de computação centralizada que fornece diferente serviços a uma rede de computadores Existem vários tipos de servidores com várias funções diferentes Os computadores que acessam os serviços de um servidor são chamados clientes Em pequenas e médias empresas é comum se ter um ou mais servidores que acumulem funções enquanto em grandes empresas temse um servidor para cada serviço 19 No caso de uma rede num empreendimento minerário o principal tipo de servidor utilizado é para armazenamento de dados Como o volume de informação a ser processada é muito grande temse a necessidade de utilizar um hardware dedicado para armazenar e processar esses dados Em termos de hardware também existem diversos modelos de servidores Os principais tipos são o servidor torre o servidor rack e o servidor blade 631 Servidor torre É o modelo mais básico e provavelmente mais conhecido Esse servidor leva esse nome porque possui um formato parecido com o gabinete clássico de um desktop Apesar de ser maior e dependendo do modelo mais limitado tem como principais vantagens a sua baixa produção de ruído e sua flexibilidade não apenas tecnológica e de manutenção como também física pois pode ser alojado com facilidade mesmo em locais compactos 632 Servidor rack Esse servidor conta com design horizontal Geralmente possui maior poder de processamento e armazenamento Ele também traz mais eficiência no aproveitamento do espaço físico justamente por causa do seu formato e possibilita o empilhamento de múltiplos dispositivos A desvantagem do servidor rack resuta da manutenção e do gerenciamento que costumam dar mais trabalho e gerar mais custos 633 Servidor blade É o modelo mais avançado dos três possui grande velocidade de transmissão de dados muita capacidade de armazenamento e ainda possibilita o acesso e a execução de aplicações pesadas como serviços de emails corporativos por exemplo Além disso seu formato de módulo permite que a empresa organize um data center local onde fica armazenada a estrutura de servidores com facilidade e otimização do espaço físico MARTINI 2016 Dentre os vários modelos possíveis é necessário escolher o que mais se adequa às necessidades presentes e futuras O primeiro passo é antes mesmo 20 de pesquisar por modelos e marcas definir qual é essa real necessidade do empreendimento Se a empresa ainda não conta com muita demanda de armazenamento de dados e precisa prioritariamente de uma ferramenta para guardar arquivos leves como documentos de texto planilhas e imagens por exemplo um servidor mais comum modelo torre provavelmente é o ideal Dessa forma será feito um investimento menor mas que suprirá as necessidades atuais Porém à medida que a rede cresce e mais dados começam a circular será necessário adquirir um novo modelo Na mineração é recomendado uma infraestrutura completa e ágil que permita muitas conexões alta velocidade de transmissão de dados espaço de armazenamento para guardar arquivos pesados e em grande quantidade e também acessar aplicações diretamente do servidor Para garantir tais qualidades o recomendado é um modelo mais poderoso Embora esse tipo de equipamento possua um preço geralmente mais elevado a relação custo benefício é favorável já que as atividades da empresa serão realizadas de forma mais ágil e eficiente Além disso é preciso ter atenção não apenas com a capacidade de armazenagem e transmissão de dados mas também com o número de portas que o equipamento possui Quanto mais portas maior o número possível de conexões com outros dispositivos MARTINI 2016 64 Interpretação de dados e automação Com os sistemas de transporte e armazenamento de dados estruturados resta interpretar a informação obtida e automatizar o que pode ser automatizado Assim os dados podem seguir dois caminhos distintos O primeiro é para um usuário final provavelmente o gerente de determinada área que analisará através de softwares o que foi obtido O segundo é para algum dispositivo que interpretará os dados automaticamente e enviará um sinal de resposta baseado em lógica de programação Os dois caminhos necessitam de interferência humana seja para o efetivo funcionamento ou para a manutenção Na automação de determinadas tarefas como regular a temperatura de algum lugar ou dosar de forma diferente um determinado reagente podese utilizar soluções baseadas no Arduíno 21 641 Arduíno A histório do Arduíno sintetizada de forma rápida pode ser lida a seguir O Arduíno foi criado em 2005 por um grupo de 5 pesquisadores Massimo Banzi David Cuartielles Tom Igoe Gianluca Martino e David Mellis O objetivo era elaborar um dispositivo que fosse ao mesmo tempo barato funcional e fácil de programar sendo dessa forma acessível a estudantes e projetistas amadores Além disso foi adotado o conceito de hardware livre o que significa que qualquer um pode montar modificar melhorar e personalizar o Arduíno partindo do mesmo hardware básico Thomsem 2014 Ele é uma placa composta por um microcontrolador Atmel circuitos de entradasaída e pode ser facilmente conectado a um computador e programado via IDE Integrated Development Environment ou Ambiente de Desenvolvimento Integrado utilizando uma linguagem baseada em CC sem a necessidade de equipamentos extras além de um cabo USB Essa facilidade para prototipar projetos de automação reduz custos e pode viabilizar diversas aplicações de IoT O Arduíno possui uma enorme quantidade de sensores que podem ser conectados a ele Todos os tipos listados anteriormente podem ser encontrados a um preço baixo para serem utilizados em testes O problema entretanto é que esses sensores são pouco robustos o que inviabiliza seu uso na mineração Para utilizar uma placa Arduíno em um ambiente como esse é preciso utilizar sensores que possam ser submetidos a condições mais extremas O problema é que esses sensores normalmente não são compatíveis com a placa e necessitam de adaptação Para resolver esses problemas a forma mais simples é adicionar um dos chamados Shields Eles são placas de circuito modulares que podem ser conectadas ao Arduíno e expandir suas capacidades Existem Shields com diversas finalidades porém os mais importantes são os Ethernet ou WiFi Shields Eles permitem conectar o Arduíno à rede e à internet possibilitando uma maior flexibilidade de usos e sendo responsáveis por integrar a placa a uma solução em IoT 22 Utilizando um Shield de rede o Arduíno recebe os dados através da rede ou do servidor executa a lógica que foi programada e envia o sinal de saída de volta para a rede podendo automatizar qualquer variável que se deseje Esse tipo de automação é ótimo quando se precisa manter constante determinadas variáveis como holdup do ar numa coluna de flotação por exemplo Um sensor de pressão pode ser colocado no interior da coluna e o Arduíno programado para regular a vazão de ar de acordo com a variação de pressão de forma a manter um holdup constante Inúmeras possibilidades de uso podem ser pensadas dependendo das necessidades 7 Discussão De posse desses conhecimentos básicos sobre os aspectos técnicos de um projeto de IoT é possível pensar em diversas soluções para a mineração Hoje em dia um dos principais motivos dessa forma de comunicação ser pouco utilizada no setor mineral é o alto custo associado à instalação do projeto Com designs de rede inteligentes é possível reduzir o CAPEX das redes o que justificaria a instalação da mesma em diversos tipos de empreendimentos Com a facilidade proporcionada pela IoT é possível alcançar maior controle e produtividade operacional Combinações de diversos sensores conectados em rede podem fornecer uma quantidade gigantesca de dados capazes de influenciarem insights diferentes sobre o empreendimento a ser analisado Com o volume de dados obtidos é possível utilizar Analytics ou big data analytics para uma tomada de decisões muito mais eficiente podendo até mesmo ser automática Com o desenvolvimento das tecnologias relacionadas ao Machine Learning num futuro próximo poderemos ter uma mineradora totalmente automatizada que se adapta ao minério e reage com as mudanças geológicas e estruturais identificadas Para isso serão necessárias redes muito mais robustas e bem planejadas com altíssima disponibilidade superior a 99 além de servidores mais poderosos e seguros 8 Exemplos de aplicação Alguns empreendimentos minerários tiveram sucesso com a implantação de soluções com IoT Todos eles demonstraram um ganho significativo em 23 produtividade e uma redução nos custos com comunicação Dentre os citados a seguir a Mine of the Future da Rio Tinto merece destaque por sua proposta promissora de uma mina completamente automatizada 81 Fortescue metals group A FMG transformou a forma como seus caminhões eram carregados utilizando dados em tempo real para dar aos gerentes uma visão de quanto minério cada caminhão estava transportando e se o caminhão estava cheio Pela primeira vez essa visão permitiu que os operadores fossem avisados via rádio quando seus caminhões não estivessem cheios e fossem instruídos a maximizar a capacidade Devido a isso alguns caminhões puderam ajudar outras minas sem custo adicional O resultado foi uma maior capacidade dos caminhões e um maior rendimento na produção de minério dois fatores que significaram um grande aumento nos lucros 82 Goldcorp A Goldcorp chamou atenção com sua mina conectada onde todos os capacetes dos operários foram equipados com dispositivos de rastreamento para monitorar suas localizações em tempo real O benefício mais óbvio é a segurança pois se tornou possível conhecer a localização de todos os operários e garantir que eles não estivessem entrando em locais proibidos da mina Além disso a Goldcorp estendeu a estratégia de IOT em tempo real para outras áreas Para manter um suprimento de ar fresco na mina a companhia desenvolveu um sistema chamado VentilationOnDemand que melhorou o fluxo de ar o uso e a produção de energia além de reduzir os custos operacionais pois o fluxo de ar pode ser direcionado somente onde e quando for necessário 83 Rio Tinto Uma das maiores corporações mundiais de mineração Rio Tinto está no processo de automatizar muitos de seus veículos e máquinas na região de Pilbara no oeste australiano 24 Eles a chamam de Mine of the Future com 69 caminhões autônomos controlados por um sistema automático de carregamento feito para carregar o minério da mina até as usinas de processamento de forma mais eficiente e segura do que utilizando motoristas humanos A companhia pretende expandir a automação até os trens e as escavadeiras O centro de operação da companhia em Perth controla todas as máquinas autônomas em todos os locais de mineração em Pilbara o que fornece à companhia uma visão completa da operação com painéis de controle Além disso há também a possibilidade de colaboração entre os diversos times de mineração em tempo real Isso ajuda os gerentes a otimizar a logística e a manutenção de todas as minas através de uma localização central 84 Dundee Precious Metals Dundee foi uma das primeiras companhias a levar redes wireless a minas subterrâneas começando em 2010 na sua mina de cobre e ouro em Chelopech Bulgária O objetivo principal era manter o controle da localização dos equipamentos e das pessoas e de permitir uma comunicação em tempo real com a superfície O pilar do sistema são 55 milhas de cabos de fibra ótica equipados com pontos de acesso WiFi Apesar do projeto ter começado com roteadores comuns difíceis condições ambientais nos túneis forçaram diversas customizações A presença de quartzo nas paredes dispersava as ondas de rádio do WiFi então foi preciso adicionar extensores de sinal e antenas parabólicas para focar os sinais Além disso foi necessário reforçar os roteadores para suportarem ameaças físicas como água pedras caindo e uma batida ocasional de um veículo ou máquina pesada Finalizada a implantação do projeto a comunicação se tornou confiável e instantânea mesmo no fundo da mina a aproximadamente 2000 pés de profundidade Os operadores podem levar laptops e smartphones na mina para se manterem conectados ao pessoal e aos softwares na superfície Além disso os gerentes podem saber onde está cada pessoa e cada equipamento na mina o que ajuda a prevenir acidentes e paradas inesperadas além de coordenar as operações em tempo real 25 Segundo o diretor de TI da Dundee Você pode estar em Toronto e acompanhar toda a operação pelo monitor em tempo real O custo de pesquisa e desenvolvimento de criar uma solução na mina está estimado entre 250000 e 300000 porém o resultado foi uma redução de 20 nos custos de comunicação um aumento de produtividade e uma diminuição no tempo perdido devido a incidentes inesperados Solomon 2013 9 Impactos gerados pela implementação da IoT Este trabalho elucida as vantagens da implementação da IoT mais segurança otimização comunicação diminuição de desperdícios e controle e automação são exemplos disso Porém como todo novo projeto os impactos negativos precisam ser considerados e muito bem estudados para que essa tecnologia não seja subutilizada A começar pela compatibilidade atualmente não há um padrão internacional para os equipamentos de marcação e monitoramento Provavelmente essa é a desvantagem mais fácil de superar pois basta que as empresas fabricantes desses equipamentos concordem com um padrão como Bluetooth USB etc o que deve acontecer caso a tecnologia comece a ser utilizada em maiores escalas Porém mesmo que se chegue a um padrão comum problemas técnicos persistirão Hoje existem dispositivos habilitados para Bluetooth e ainda assim há problemas de compatibilidade nessa tecnologia Isso pode resultar em pessoas comprando aparelhos de um determinado fabricante gerando dependência a um fornecedor específico A IoT consiste em várias tecnologias cujas arquiteturas são diferentes umas das outras isso a torna um sistema complexo Como em todos sistemas complexos há mais oportunidades de falha Com a Internet das Coisas os fracassos poderiam ser muito comuns caso o projeto não seja bem estudado e dimensionado antes da sua implantação Essa complexidade inerente às premissas da IoT pode tornar caros alguns projetos Ela é uma rede na qual qualquer falha ou erro no software ou hardware terá sérias consequências Até mesmo a falta de energia pode causar inconvenientes Além disso uma falha na rede IoT pode levar a mais tempo para restauração do serviço exigindo trabalhadores qualificados com conhecimento em várias tecnologias Logo o setor de tecnologia da informação de uma 26 empresa que adota a ideia deve pagar caro para contratar e manter esses funcionários capacitados Como há vários dispositivos de fornecedor envolvidos na rede IoT ele exige que os testes de interoperabilidade sejam realizados antes de iniciar o uso do sistema Isso também acarretará custos aos fabricantes de dispositivos IoT e à empresa que está operando o projeto Com todos os dados da IoT sendo transmitidos há um risco de comprometer a privacidade Para um uso realmente efetivo da tecnologia a rede deve estar conectada à internet gerando um perigo iminente de segurança da informação pois toda ela está propensa a ataques de hackers Podese utilizar uma intranet em casos onde se deseja maior privacidade porém isso prejudica a capacidade de obter informações sobre o empreendimento em qualquer lugar do mundo Outro inconveniente que a adoção da IoT pode causar é a diminuição do número de empregos de trabalhadores e auxiliares não qualificados devido à automação das atividades diárias Este problema é comum ao advento de qualquer tecnologia e pode ser superado com a educação Com as atividades diárias sendo automatizadas naturalmente haverá menos requisitos de recursos humanos principalmente funcionários com menos instrução podendo causar um problema de desemprego na sociedade local Isso pode inclusive inviabilizar alguns empreendimentos dado que muitas vezes uma das justificativas para que um município aceite a operação de uma mina é a geração de muitos empregos Com certeza levará algum tempo para o sistema IoT se tornar completamente estável e viável pois há novos e futuros padrões sendo integrados 10 Conclusão Por ser uma proposta ainda muito nova com uma conceituação ainda não muito bem definida há muito que se estudar e desenvolver principalmente na área da mineração onde as condições não são muito favoráveis para a operação de dispositivos frágeis como os switches e roteadores que precisam estar em campo Outro principal desafio a se enfrentar para a implementação de um projeto tecnológico em uma mineradora é a mentalidade dos gestores Operações de 27 mina costumam ser conservadoras ou seja resistentes às mudanças principalmente porque pequenas alterações no processo resultam em grandes impactos o que pode significar grandes perdas monetárias Por ser uma proposta extremamente nova e que muda numa velocidade gigantesca pode ser difícil convencer os responsáveis pelos projetos das vantagens da IoT Com os exemplos e estudos de caso apresentados neste trabalho tornamse evidentes os benefícios decorrentes da adoção do conceito de Internet das Coisas A integração de atividades equipamentos e sensores a uma rede única permitindo a rápida análise interatividade e tomada de decisões sejam essas préprogramadas ou desenvolvidas manualmente através da análise dos dados obtidos mostrase como um importante passo para o crescimento da produtividade e consequentemente dos ganhos econômicos em empreendimentos minerários Apesar de recente com soluções ainda pontuais na indústria a expectativa é que a IOT represente um importante salto no desenvolvimento em todos setores e níveis da sociedade As mudanças mais contundentes previstas com o advento dessa tecnologia são o desenvolvimento de uma cidade inteligente onde os sistemas de administração segurança saúde e transporte estejam interconectados possibilitando uma gestão mais efetiva da máquina pública a completa automatização dos setores industrial agropecuário e de serviços onde as tomadas de decisões comerciais produtivas e manutenção sejam auxiliadas de modo intensivo pela adoção de sistemas inteligentes o desenvolvimento das residências automatizadas que se adaptam e executam todas as atividades cotidianas conforme o perfil do proprietário mais especificamente no setor na mineração esperase uma atividade otimizada de modo que os riscos associados à vida humana se tornem os menores possíveis até chegar à completa automação das operações sem riscos aos operadores Para os gerentes de mina será possível identificar gargalos da produção e decidir rapidamente as melhores opções para maximizar o NPV Apesar de promissora a nova tendência apresenta alguns desafios prévios à sua adoção sistêmica e consolidação global como a garantia da confidencialidade das informações a indisponibilidade e a falta de integridade no sinal de sensores o Big Data garantia da capacidade de armazenamento do crescente volume de dados a grande quantidade de dados disponibilizados 28 na vida real após a consolidação do IOT e o aumento do desemprego nas classes menos qualificadas Os temas supracitados ainda necessitam de diversos estudos pesquisas debates e propostas viáveis para que uma adoção da IoT na mineração e também de forma generalizada no mundo seja possível 11 Sugestões para trabalhos futuros O uso de novas tecnologias na mineração carece de muitos estudos Na área da IoT tratada nesse trabalho recomendase principalmente a pesquisa de alternativas de design de rede que reduzam o custo de implantação de um projeto e consigam garantir a disponibilidade do sinal Com a descoberta de novas formas de distribuir o sinal de forma eficiente projetos de IoT podem ser viabilizados aumentando a produtividade em diversas minas 29 12 Referências bibliográficas Agarwal Tarun Transducer Types Ideal Characteristics and Its Applications Disponível em httpswwwelprocuscomtransducertypesand theirapplications Acesso em 18 jun 2018 ALMEIDA Hyggo Internet das Coisas tudo conectado Revista da Sociedade Brasileira de Computação INTERNET DAS COISAS Nós as cidades os robôs os carros Tudo conectado Brasil 2015 Disponível em httpwwwsbcorgbrimagesflippingbookcomputacaobrasilcomputa29pdf compbrasil20154pdf Acesso em 18 abril 2018 BARBOSA Viviane da Silva Borges Análise de cobertura e capacidade da comunicação móvel para automação em minas inteligentes a céu aberto 2016 BECHARA Antoine DAMASIO Hanna DAMASIO Antonio R Emotion decision making and the orbitofrontal cortex Cerebral cortex v 10 n 3 p 295307 2000 CARR Joe Empresas de mineração consideram IoT essencial para garantir vantagem competitiva diz pesquisa Bit Magazine 2018 Disponível em httpwwwbitmagcombr201801empresasdemineracaoconsideram iotessencialparagarantirvantagemcompetitivadizpesquisa Acesso 21 abril 2018 Colliers Illustrated Weekly Volume 77 1926 Disponível em 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Horizonte Disponível em 31 httphomepagesdccufmgbrmmvieiraccpapersinternetdascoisaspdf Acesso 18 abril 2018 Sensores industriais Material de engenharia de Controle e automação politécnica PUCRS 2015 Disponível em httpwwwpolitecnicapucrsbrprofessorestergolinaAutomacaoeControle APRESENTACAOAula03SensoresIndustriaispdf Acesso em 18 jun 2018 SHORT Taylor 5 Lessons From Advanced Mining IoT Software advice 2016 Disponível em httpswwwsoftwareadvicecomresources5 lessonsadvancedminingiot Acesso em 23 de abril de 2018 SINGER Talita Tudo conectado conceitos e representações da internet das coisas Simpósio em tecnologias digitais e sociabilidade v 2 p 1 15 2012 SOLOMON Howard How a Canadian mining company put a WiFi network underground Disponível em httpswwwitworldcanadacomarticlehowacanadianminingcompanyputa wifinetworkunderground87122 Acesso em 21 jun 2018 STAMFORD Conn Gartners 2014 Hype Cycle for Emerging Technologies Maps the Journey to Digital Business Disponível em httpswwwgartnercomnewsroomid2819918 Acesso em 02 jun 2018 STATISTA Forecast economic impact of the Internet of Things IoT in 2025 in billion US dollars Disponível em httpswwwstatistacomstatistics580778worldwideinternetofthings economicimpactforecast Acesso em 23 abr 2018 THOMSEM Adilson O que é Arduino Disponível em httpswwwfilipeflopcomblogoqueearduino Acesso em 21 jun 2018 Web póvoa Evitando Futuros Problemas Aplicando O Modelo Hierárquico de Rede Disponível em httpswebpovoacommodelo hierarquicoderede Acesso em 21 jun 2018 Sumário 1 Introdução 4 2 Objetivos 6 3 Metodologia 7 4 Resultados e Discussão 9 5 Considerações Finais 10 6 Perspectivas 10 7 Referências 10 3 1 Introdução Na disciplina de Fenômenos Mecânicos da graduação de Engenharia de Telecomunicações da Universidade Federal de São João del Rei UFSJ Campus Alto Paraopeba CAP foi proposto pela docente Kelly Torres que os discentes se dividissem em grupos e realizassem um projeto de um protótipo relacionado a fenômenos mecânicos Assim sendo nosso grupo foi definido e iniciamos a pesquisa de diversos temas até nos identificarmos com o Dispositivo de Comunicação Baseado em Vibrações Mecânicas aliado a internet das coisas e inteligência artificial Dessa forma durante a pesquisa tivemos a possibilidade de entender como esse dispositivo pode identificar ameaças e ajudar a evitar tragédias por meio da implementação da internet das coisas e da inteligência artificial O Dispositivo de Comunicação Baseado em Vibrações Mecânicas funciona por meio da captação de fenômenos mecânicos tais como ondas sonoras ou vibrações a fim de transmitir informações em áreas onde a comunicação sem fio convencional encontra dificuldades A título de exemplo o modelo experimental pode empregar transdutores piezoelétricos para transformar sinais elétricos em vibrações mecânicas que se propagam através do solo Sensores em diferentes locais subterrâneos registraram essas vibrações e as reverteram em sinais elétricos para fins de comunicação Isso se mostra particularmente útil em minas túneis ou outros cenários subterrâneos nos quais a comunicação sem fio se vê limitada devido a obstáculos físicos Entretanto este dispositivo é responsável por captar os sinais que podem apresentar uma ameaça Então decidimos continuar a pesquisa em busca de uma forma de evitar tragédias por meio de tal captação de sinais Desse modo identificamos que a Internet das Coisas e Inteligência Artificial seria uma boa opção Não é segredo que a Internet das Coisas e Inteligência Artificial está cada vez mais presente em nossas vidas hoje atuando de inúmeras maneiras seja simples ou complexa Então nosso objetivo foi unir a captação do Dispositivo de Comunicação Baseado em Vibrações Mecânicas com a Internet das Coisas e Inteligência Artificial para o desenvolvimento de um projeto que previna tragédias ambientais Em um cenário cada vez mais mais voltado para a exploração e operações subterrâneas a necessidade de garantir a segurança e o monitoramento ambiental se torna uma prioridade indiscutível À medida que as atividades subterrâneas se tornam mais complexas e específicas surgem desafios relacionados à comunicação detecção e resposta a eventos inesperados como vazamentos de emissões perigosas explosões de terra distúrbios estruturais e outros incidentes que podem ter impactos ambientais severos Nesse contexto surge uma demanda urgente por um dispositivo de comunicação inovador que integre as capacidades da Internet das Coisas IoT e da Inteligência Artificial IA para aprimorar a segurança a eficiência e a sustentabilidade das atividades subterrâneas Este dispositivo pioneiro que baseia seu funcionamento em emoções mecânicas representa uma abordagem verdadeiramente revolucionária para atender a essas necessidades complexas e variadas A utilização de vibrações mecânicas como meio de comunicação não apenas supera as limitações das tecnologias de transmissão tradicionais como rádio ou fio mas também oferece uma série de benefícios que são cruciais para ambientes restritos onde a conectividade confiável é frequentemente um desafio O coração desse dispositivo é sua capacidade de criar detectar e interpretar padrões de vibração mecânica permitindo uma comunicação eficaz e confiável em ambientes onde outras 4 formas de comunicação podem ser impraticáveis Através da análise avançada de padrões de vibração a inteligência artificial embutida no dispositivo pode identificar automaticamente eventos e condições de risco como movimentações de solo suspeitas alterações na pressão subterrânea ou variações na temperatura e agir de acordo com protocolos de segurança predefinidos Além disso o dispositivo é parte integrante de uma rede maior de sensores e atuadores estruturais formando um ecossistema completo de monitoramento e resposta a incidentes ambientais Cada dispositivo compartilha dados em tempo real com uma central de controle permitindo uma visão abrangente e instantânea das condições subterrâneas em toda a área de operação Ao destacar a importância da sustentabilidade em ambientes específicos o dispositivo também é projetado para minimizar os impactos adversos ao meio ambiente em caso de acidentes Isso inclui a capacidade de detectar vazamentos de substâncias tóxicas de forma precoce bem como acionar medidas de contenção e mitigação de danos de maneira ágil e eficaz Em resumo este dispositivo de comunicação baseado em vibrações mecânicas representa uma inovação notável que promete redefinir a segurança a eficiência e a sustentabilidade das atividades subterrâneas Combinando a IoT e a IA ele fornece uma solução abrangente e adaptável para a prevenção e gestão de acidentes ambientais em ambientes específicos abrindo novas possibilidades para a exploração e operação subterrânea segura e ambientalmente responsável Neste artigo exploraremos ainda mais em seu funcionamento e seus benefícios destacando seu potencial transformador na forma como abordamos a segurança e a sustentabilidade em ambientes densos 5 2 Objetivos 3 Metodologia O termo internet das coisas do inglês Internet of Things IoT é conceituado como uma rede de objetos físicos veículos prédios e outros que possuem tecnologia embarcada sensores e conexão com rede capaz de coletar e transmitir dados Como todas as novas tecnologias ela surgiu como uma proposta promissora e inovadora capaz de possibilitar a integração de diversos objetos do cotidiano a sistemas computacionais promovendo automação de diversas atividades humanas e assim maior eficiência Para que a IoT possa existir são necessários alguns elementos como os sensores instalados na máquina e a rede que transportará as informações provenientes dos diversos sensores instalados no local de interesse Eles podem ser enviados diretamente para dispositivos móveis como tablets ou smartphones acelerando as tomadas de decisões ou podem ser enviados para um servidor capaz de tratálos rapidamente e reenviar novas instruções quando necessário Por ser recente o potencial para inovações que levem a uma redução do custo de investimento é alto Isso significaria uma outra vantagem da IoT um baixo custo de investimento e de operação comparado aos possíveis ganhos em produtividade uma vez que sua aplicação depende de tecnologias bastante acessíveis como sensores smartphones tablets computadores e acesso a uma rede onde todas essas máquinas possam se comunicar Dentre esses elementos citados o que pode apresentar maior custo e problemas é a instalação da rede Barbosa 2016 Na mineração a aplicação da IoT promete benefícios como o aumento do nível de automação e melhorias na eficiência da produção e nas tomadas de decisão tornando a empresa mais competitiva no mercado Com isso para compreender melhor o futuro é preciso olhar para o passado Entender como esse conceito se desenvolveu é fundamental para compreender como continuará a se desenvolver e suas potenciais aplicações Segundo o autor do trabalho que o grupo utilizou para realização deste trabalho para um sistema que utilize IoT funcionar são necessários três elementos básicos sendo eles os sensores que servirão para avaliar as variáveis de importância para o objeto em estudo a rede que agirá conectando todos os sensores instalados nas máquinas o servidor que receberá todos os dados obtidos e deve ser capaz de interpretálos de forma a possibilitar a tomada de decisão por parte de um gestor Ao longo de seu trabalho ele cita sobre os sensores piezoelétricos que são de extrema importância na nossa implementação Sensores piezoelétricos tem a função de converter energia mecânica em energia elétrica Da mesma forma energia elétrica também pode ser convertida em energia mecânica através do efeito piezoelétrico Eles podem ser utilizados para identificar problemas com motores como batidas resultantes de má combustão interna O carregamento do motor também pode ser determinado calculando a pressão absoluta o que pode ser feito utilizando esse tipo de sensor em sistemas de injeção de combustível De posse desses conhecimentos básicos sobre os aspectos técnicos de um projeto de IoT é possível pensar em diversas soluções para a mineração Hoje em dia um dos principais motivos dessa forma de comunicação ser pouco utilizada no setor mineral é o alto custo associado à instalação do projeto Com designs de rede inteligentes é possível reduzir o CAPEX das redes o que justificaria a instalação da mesma em diversos tipos de empreendimentos Com a facilidade proporcionada pela IoT é possível alcançar maior controle e produtividade operacional O autor cita alguns exemplos de aplicações reais Alguns empreendimentos minerários tiveram sucesso com a implantação de soluções com IoT Todos eles demonstraram um ganho significativo em produtividade e uma redução nos custos com comunicação Alguns exemplos Fortescue metals group a FMG transformou a forma como seus caminhões eram carregados 7 utilizando dados em tempo real para dar aos gerentes uma visão de quanto minério cada caminhão estava transportando e se o caminhão estava cheio Pela primeira vez essa visão permitiu que os operadores fossem avisados via rádio quando seus caminhões não estivessem cheios e fossem instruídos a maximizar a capacidade Devido a isso alguns caminhões puderam ajudar outras minas sem custo adicional O resultado foi uma maior capacidade dos caminhões e um maior rendimento na produção de minério dois fatores que significaram um grande aumento nos lucros Dundee Precious Metals a Dundee foi uma das primeiras companhias a levar redes wireless a minas subterrâneas começando em 2010 na sua mina de cobre e ouro em Chelopech Bulgária O objetivo principal era manter o controle da localização dos equipamentos e das pessoas e de permitir uma comunicação em tempo real com a superfície O pilar do sistema são 55 milhas de cabos de fibra ótica equipados com pontos de acesso WiFi Apesar do projeto ter começado com roteadores comuns difíceis condições ambientais nos túneis forçaram diversas customizações A presença de quartzo nas paredes dispersava as ondas de rádio do WiFi então foi preciso adicionar extensores de sinal e antenas parabólicas para focar os sinais Além disso foi necessário reforçar os roteadores para suportarem ameaças físicas como água pedras caindo e uma batida ocasional de um veículo ou máquina pesada Finalizada a implantação do projeto a comunicação se tornou confiável e instantânea mesmo no fundo da mina a aproximadamente 2000 pés de profundidade Os operadores podem levar laptops e smartphones na mina para se manterem conectados ao pessoal e aos softwares na superfície Além disso os gerentes podem saber onde está cada pessoa e cada equipamento na mina o que ajuda a prevenir acidentes e paradas inesperadas além de coordenar as operações em tempo real Segundo o diretor de TI da Dundee Você pode estar em Toronto e acompanhar toda a operação pelo monitor em tempo real O custo de pesquisa e desenvolvimento de criar uma solução na mina está estimado entre 250000e300000 porém o resultado foi uma redução de 20 Princípios Físicos A propagação de vibrações mecânicas é baseada na transmissão de ondas de compressão através de um meio sólido como a terra Sensores de vibração são utilizados para gerar sinais mecânicos que podem ser interpretados como dados IoT e Ambientes Subterrâneos O IoT envolve a conexão de dispositivos físicos à internet para coleta e troca de dados em tempo real Em ambientes subterrâneos sensores IoT podem ser implantados para monitorar condições ambientais segurança mineração agricultura subterrânea entre outros Vantagens da Comunicação por Vibrações Mecânicas no IoT Subterrâneo Maior robustez Reduz a dependência de comunicações sem fio sujeitas a interferências e perdas de sinal Consumo de energia eficiente transmissão de vibrações mecânicas podem ser mais eficientes em termos de energia em comparação com comunicações de rádio Menor latência A propagação de vibrações mecânicas é mais rápida em sólidos do que as ondas de rádio em ambientes subterrâneos Aplicações Potenciais Monitoramento de condições geológicas como terremotos e deslizamentos de terra Agricultura subterrânea para otimizar o cultivo de plantas e recursos hídricos Redes de sensores para segurança e controle de tráfego em túneis Precisão É fundamental garantir a precisão na interpretação dos sinais de vibração Infraestrutura Requer a implantação de uma infraestrutura de sensores e atuadores Em resumo a comunicação por vibrações mecânicas oferece uma abordagem interessante para superar os desafios de comunicação em ambientes subterrâneos melhorando a conectividade do IoT nesses cenários Essa tecnologia tem o potencial de tornar a monitorização e a gestão de recursos em ambientes subterrâneos mais eficientes e confiáveis 8 4 Resultados e Discussão 5 Considerações Finais 6 Perspectivas 7 Referências 10