Google Cloud IoT Architecture

ARQUITETURA DE
INTERNET DAS COISAS
COM GOOGLE CLOUD
Alvaro Viebrantz
aviebrantz.com
@alvaroviebrantz
1

Alvaro Viebrantz
Google Developer Expert em Internet das Coisas
Product Engineer at Leverege
Cuiabá - MT
2
aviebrantz.com
@alvaroviebrantz

A Web é gigante hoje
3
Computação Ubiqua

5
Pilares em IoT
Exemplo de uma arquitetura no caso de uma pulseiras de exercícios
Coisas Nuvem
Dados Informações e serviços
Gateway
Bluetooth LE WiFi/3G

6
O hardware é apenas o começo
IoT é muito mais que apenas o hardware

7
IoT é serviço
O importante não é o hardware, mas o que você entrega

8
Arquitetura em nuvem para IoT
Quais os componentes necessários ?

Estação meteorológica - Arquitetura de ponta a ponta com Google Cloud
!9
Post pessoal foi para o blog do Google Cloud

10
O que foi utilizado no projeto
Componentes bastante fáceis de serem encontrados
Wemos D1 Mini 
ESP8266
DHT11
Sensor de Temp e Umidade

11
Esquemático 🔥
🐈🐈🐈🐈🐈

12
Programação - Micro controladores (MCU)
Como desenvolver hardware para IoT
• C/C++
• MicroPython
• Lua
• Javascript

13
Programação - MongooseOS
Sistema Operacional para IoT
• Provisionamento e configuração
• Conector para diversas nuvens
• Google Cloud, Azure, AWS, IBM,
MQTT Genérico
• Javascript para prototipação
• Apache 2.0
• Mudança recente

Como receber dados
14
Opções gerenciadas para recebimento de dados

15
Cloud IoT Core
Serviço gerenciado global para conectar e gerenciar de forma segura dispositivos
Protocol Bridge 
Comunicação
Gerenciamento de dispositivos

16
Cloud IoT Core - Gerenciamento
Provisionar dispositivos e controle individual

17

18
Controle individual dos dispositivos

19
• APIs para manipulação dos dispositivos e provisionamento
• CRUD dos dispositivos
• Possibilita automação

20
Cloud IoT Core - Comunicação
Via protocolos conhecidos - MQTT e HTTP
• Diferenças entre MQTT e HTTP
• MQTT permite fazer subscrição das mensagens recebidas
• HTTP tem que ficar buscando de forma explicita
• MQTT é mais leve e trafega menos dados na rede, porém fica conectado o tempo todo
• Comunicação Bidirecional
• Existem algumas restrições nisso
• Dados só podem ser enviados pelo dispositivo como telemetry ou state messages

• Token gerado a partir dos certificados digitais
• Chaves privada no dispositivo
• Chave pública cadastrada no Google Cloud
• Formato bem conhecido de autorização - RFC 7519
• Algoritmos suportados para criptografia
• ES256 - ECDSA e SHA-256
• RS256 - RSA e SHA-256
• Devem expirar em 1 hora e tem tolerância de 10 min com o Time Server do Google
21
Autenticação/Autorização usando JSON Web Token (JWT)

22
Autenticação/Autorização via HTTP
• Para chamadas HTTP deve ser colocado no Header
• Para obter configurações:
https://cloudiotdevice.googleapis.com/v1/projects/{project-id}/locations/{cloud-region}/
registries/{registry-id}/devices/{deviceid}/config?local_version={VERSION}

23
Autenticação/Autorização via HTTP
• Para enviar dados:
https://cloudiotdevice.googleapis.com/v1/projects/{project-id}/locations/{cloud-region}/
registries/{registry-id}/devices/{deviceid}:publishEvent

24
Parâmetros de Autenticação/Autorização via MQTT
• Host: mqtt.googleapis.com:8883
• User: vazio (não é verificado)
• Pass: token JWT
• Client ID:
projects/{project-id}/locations/{cloud-region}/registries/{registry-id}/devices/{device-id}
devices/{deviceid}/config
devices/{deviceid}/events
devices/{deviceid}/state
Dispositivo
SUB PUB
PUB

25
Provisionamento com MongooseOS e Cloud IoT Core
Associando o hardware ao projeto no Google Cloud
• O MongooseOS consegue fazer isso automagicamente.
• Obter o ID do Device e cadastra-lo no Cloud IoT Core.
• Gerar par de certificados, associar no GCloud a chave pública e gravar no device a chave
privada.
• Configurar endpoint MQTT no device para usar o broker do Cloud IoT Core
• Fazer todo o trabalho de autenticação usando JWT

26
Cloud PubSub
Espinha dorsal do Google Cloud. Serviço de Mensageria
• Gerenciado pelo Google
• Escalabilidade automática
• Garantia de entrega
• Conectado com muitos produtos  
do Google Cloud

We need a database
27
Opções com alta escalabilidade e voltados para BigData

28
BigQuery
Opções para o armazenamento massivo de dados
• Data warehouse de baixo custo
• Gerenciado pelo Google e
escalabilidade automática
• Interface SQL ANSI de consulta e
suporte a vários softwares de BI no
mercado
• Append Only - Dados imutáveis
• Gratuito até 1TB por mês analisado e
10GB de dados

29
Firebase Realtime Database
Armazenamento e sincronização em tempo real
• Dados em forma de árvore
• Sincronização em tempo real entre os
clientes
• SDK para várias linguagens
• O Firebase possui todo um
ecossistema de produtos voltado a
desenvolvimento de apps

Como processar os dados
30
Opções com gerenciadas para processamento de dados

31
Cloud Dataﬂow
• Baseado no projeto Apache Beam
• SDK em Python e Java

• Workers recebendo dados via PubSub
• Podem rodar em uma maquina virtual na nuvem
• Cloud Compute Engine
• Kubernetes Engine
• Não é tão simples de escalar automaticamente
• Pode ser feito em qualquer linguagem
32
Faça você mesmo / Compute Engine
Crie uma máquina virtual e processo os dados você mesmo

35
Cloud Functions ou Firebase Cloud Functions
Opções serverless para o processamento e ingestão dos dados

36
Firebase Cloud Functions
Função que reage a dados sendo recebidos via Cloud PubSub e armazena no Firebase

37

38

39
Adicionar ﬁltros dos dados

40
Transformar ou argumentar os dados - Ex: Calcular Ponto de Orvalho

41
Armazenar no BigQuery

42
Armazenar no BigQuery

44
Deploy das Firebase Cloud Functions
Apenas rode um simples comando e sua função está online - ﬁrebase deploy

Como visualizar e analisar os dados
45
Opções com gerenciadas para analise de dados

46
Cloud DataLab
Obter insight dos dados armazenados
• Baseado no projeto open source Jupyter
Notebook
• Totalmente gerenciado
• Muito usado para DataScience e Machine
Learning em Python
• Analise e visualize os dados
• Gratuito
• Apenas os serviços extras são cobrados

47
Google Data Studio
• Ferramenta para visualização de
dados
• Diversas fontes de dados
• SQL, Google Analytics, BigQuery,
Arquivos CSV, etc
• User friendly
• Gratuito

48
Dashboard no Data Studio

49
Demo time 
May the demo gods be with us

Estação meteorológica
!50
Relatório com Data Studio e WebApp
Acesse: bit.ly/gcloud-weather-station

51
O que mais posso fazer ?
Essa arquitetura se aplica vários outros casos.

Monitoramento de ativos via GPS e Rede Celular
!52
Outro post pessoal foi para o blog do Google Cloud sobre Arquitetura IoT
Acesse: bit.ly/gcloud-asset

Monitoramento de ativos via GPS e Rede Celular
!53
Outro post pessoal foi para o blog do Google Cloud sobre Arquitetura IoT
• ESP32 + GPS + GSM
• Aqui é mostrado como configurar
remotamente o dispositivo.
• Trocar tempo entre mensagens
• MongooseOS tem suporte à modem GSM de
forma transparente
Acesse: bit.ly/gcloud-asset

54
Firestore
Armazenamento e sincronização em tempo real
• NoSQL orientado a documento
• Mais flexível para fazer consultas e
separar as entidades do que Firebase
• Datastore + Firebase
• Sincronização em tempo real entre os
clientes
• SDK para várias linguagens

Leverege - Monitoramento inteligente de lixeiras na cidade
!56
www.leverege.com/usecases/waste-management-solution

!57

!58

Leverege - Monitoramento de inteligente de lixeiras na cidade
!59
Arquitetura do projeto
https://www.leverege.com/usecases/waste-management-solution

Próximo projeto - Work in Progress ⚠ ⚠ ⚠

Como falar com plantas !!!
Google Assistant + Dialogflow + Internet das Coisas

Como começar ?
Codelabs com material oﬁcial

Blog posts
Dois tutoriais com arquitetura completa de IoT e Google Cloud

OBRIGADO
66
Alvaro Viebrantz
aviebrantz.com
@alvaroviebrantz

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