Exercícios: Domótica, IoT e inteligência artificial

Explique o que é a domótica com três exemplos concretos de uma casa inteligente (persianas que descem ao entardecer, aquecimento que se liga antes de você chegar em casa, luzes que respondem à voz) e o que os três têm em comum.

A figura mostra uma casa com vários dispositivos domóticos ligados entre si por meio de um elemento central, que aparece coberto com um ponto de interrogação.

Responda:

1. a) Nomeie o elemento coberto que está no centro da instalação.

1. b) Explique que informação esse elemento recebe dos sensores e que ordens envia aos atuadores.

1. c) Classifique os dispositivos rotulados na figura em sensores e atuadores.

Classifique estes dispositivos domóticos em sensor ou atuador e justifique dois deles: um detector de movimento, uma persiana motorizada, uma câmera, uma tomada inteligente que corta ou fornece corrente e um sensor de vazamento de água.

Explique o que é a Internet das Coisas (objetos cotidianos conectados à rede: pulseiras de atividade, geladeiras, alto-falantes, lâmpadas) e o que esses objetos podem fazer graças à conexão que não podiam fazer antes.

Indique quatro vantagens de uma casa inteligente — conforto, economia de energia, segurança e acessibilidade para pessoas idosas ou com mobilidade reduzida — e desenvolva uma delas com um exemplo concreto.

Explique com as suas palavras como aprende um sistema de inteligência artificial: assim como uma criança aprende o que é um cachorro vendo muitos cachorros diferentes, o sistema aprende a partir de exemplos. Do que ele precisa em grandes quantidades para aprender bem?

Descreva a cadeia completa quando você pede algo a um assistente de voz: voz → conversão para texto → compreensão da ordem → ação → resposta. Indique em que etapa pode haver falha se houver ruído ou um sotaque pouco comum.

Indique se são verdadeiras ou falsas as seguintes afirmações e justifique cada resposta: (a) a Internet das Coisas só existe dentro das casas; (b) um dispositivo «inteligente» decide sempre melhor do que uma pessoa; (c) os sensores de uma casa com automação residencial registram dados mesmo que ninguém os consulte; (d) uma lâmpada conectada pode receber ordens a partir de outro país.

A figura mostra como aprende uma inteligência artificial doméstica: registra durante semanas quando as luzes se acendem, quando as persianas descem e a temperatura da casa.

Explique o que o sistema terá aprendido para fazer a previsão oculta (antecipar as rotinas: por exemplo, aquecer a casa imediatamente antes de a família chegar), por que razão ele precisa de muitos exemplos de dias diferentes e que risco existe em registrar a vida de um lar com tanto detalhe.

Compare um termostato programável (obedece a horários fixos) com um termostato inteligente (aprende quando as pessoas estão em casa). Explique que dados o segundo usa, que economia ele consegue ao não aquecer uma casa vazia e o que acontece se as rotinas mudarem de repente, como nas férias.

Você pretende treinar um sistema que distinga o cachorro do gato da família na câmera da sala. Explique que exemplos você forneceria (muitas fotografias etiquetadas de cada um, em diferentes posturas e iluminações), o que o sistema aprenderia com elas e por que razão falharia se você mostrasse apenas fotografias tiradas de dia.

Uma «cena» domótica chamada «sair de casa» apaga as luzes, abaixa as persianas e ativa o alarme com um único comando. Explique o que é uma cena, que vantagem traz agrupar ações e projete outra cena chamada «noite» com pelo menos quatro ações ordenadas.

Um alto-falante inteligente está sempre atento à sua palavra de ativação e uma câmera interna grava a sala. Analise quais dados saem dessa casa e para onde vão (os servidores do fabricante), o que significa «o microfone só se ativa com a palavra-chave» e quais configurações você revisaria antes de instalá-los.

Uma casa tem dez aparelhos conectados que consomem em média $2\ \text{W}$ cada um em modo de espera (standby), as $24$ horas. Calcule o consumo diário e anual em kWh e o seu custo anual a $0{,}\text{R\$}\ 15$ por kWh, e avalie se esse «custo permanente» compensa de acordo com o uso que for dado a eles.

Falha a conexão com a Internet em uma casa inteligente. Analise quais funções continuam funcionando (as decididas pela central localmente: horários, cenas básicas) e quais deixam de funcionar (comandos a partir do celular fora de casa, assistentes de voz na nuvem), e explique o que significa projetar um sistema «à prova de falhas de rede».

A sua família compra uma lâmpada de uma marca, uma tomada de outra e um alto-falante de uma terceira, e eles não se comunicam entre si. Explique o que é uma norma ou protocolo comum, por que razão as marcas demoram a adotá-lo e o que você verificaria na embalagem antes de comprar o próximo dispositivo.

A sua avó de 78 anos mora sozinha. Costuma acordar entre as 7:30 e as 8:30 h para tomar o café da manhã e a sua medicação. Quer manter a sua independência sem se sentir vigiada por câmeras nem microfones. Projete um sistema domótico de teleassistência não invasivo:

1. a) Selecione três tipos de sensores distintos (sem captação de imagem nem som) e especifique a sua localização estratégica na casa.
2. b) Escreva o algoritmo ou fluxograma lógico (usando condições SE... E... ENTÃO...) para que o sistema seja capaz de distinguir entre uma manhã normal, um simples atraso ao levantar da cama e uma possível queda no banheiro.
3. c) Justifique que limites temporais você atribuiria a cada alerta e quem deve receber os diferentes avisos para garantir a segurança sem gerar falsos alarmes nem violar a sua privacidade.

Treinou-se um modelo de inteligência artificial para controlar a irrigação automática de uma horta escolar durante a primavera, usando medições de umidade do solo, temperatura ambiente e radiação solar. No início do verão surge uma onda de calor repentina (temperaturas de 41,5 °C) acompanhada por uma tempestade curta, mas muito violenta (15 minutos de chuva torrencial que alaga a superfície, mas não penetra profundamente).

1. a) Preveja duas decisões erradas que a IA poderia tomar nesta situação anômala se o seu treino não incluísse fenômenos extremos.
2. b) Explique como o viés dos dados de treino influencia as falhas previstas.
3. c) Crie uma regra de controle de segurança prioritária (independente da IA) que bloqueie o sistema para evitar que as plantas morram por asfixia radicular ou por estresse térmico.

Uma família compra um termostato inteligente e uma fechadura eletrônica gerenciados integralmente através da nuvem de uma startup. Ao fim de dois anos, a empresa vai à falência e desliga os seus servidores de forma definitiva.

1. a) Analise as consequências técnicas e de segurança que a residência sofrerá após o encerramento do serviço (efeito 'dispositivo inutilizado' ou bricking).
2. b) A partir dos registros que o termostato coletava (temperaturas desejadas, horários de ativação, geolocalização dos celulares vinculados), deduza que informação privada sobre a rotina e os hábitos da família fica exposta se o banco de dados for liquidado e vendido a terceiros.
3. c) Justifique por que uma arquitetura de automação residencial local (com um concentrador ou hub na própria residência) oferece maior resiliência e privacidade em comparação com uma solução 100 % dependente da nuvem.

Você quer programar no controlador domótico uma rotina de «simulação de presença» durante duas semanas de férias em família.

1. a) Um vizinho propõe a você: «Programe a luz da sala para acender às 20:00 h e apagar às 23:00 h em ponto todos os dias, e baixe as persianas às 21:00 h». Critique tecnicamente essa proposta e explique por que um observador externo perceberia com facilidade que a casa está vazia.
2. b) Desenhe um algoritmo realista que coordene pelo menos três tipos de atuadores distintos (iluminação distribuída, persianas motorizadas, caixas de som ou televisor), integrando atrasos pseudoaleatórios e leituras de sensores de luminosidade externa.
3. c) Identifique dois indícios físicos externos alheios à domótica (como o hidrômetro ou o acúmulo de correspondência) que denunciariam a ausência e proponha como resolver ou mitigar pelo menos um deles.

Avalie o balanço energético mensal de uma residência que instalou automação residencial:

• Consumo próprio do sistema: 1 controlador central de 4,5 W de consumo contínuo; 10 tomadas/relés inteligentes de 0,8 W cada um em espera; e 4 sensores ligados permanentemente consumindo 0,5 W cada um.

• Economia obtida: automatizar o aquecedor de água elétrico (1500 W) para que não mantenha a água quente durante 5 horas de ociosidade por dia em que ninguém o usa, reduzindo o seu tempo de aquecimento efetivo em 1,2 horas diárias; e cortar o uso desnecessário de aquecimento (2000 W) em 40 minutos diários graças à detecção de janelas abertas e presença.

1. a) Calcule a energia total consumida por mês (30 dias) exclusivamente pelo funcionamento dos equipamentos de automação residencial, em kWh.
2. b) Calcule a energia total economizada por mês, em kWh, graças às automatizações do aquecedor de água e do aquecimento.
3. c) Determine o balanço líquido mensal em kWh e em reais (a um preço médio de 0,16 reais/kWh). Conclua se a instalação representa uma economia real ou um consumo parasita injustificado.

Uma família com dois filhos adolescentes decide integrar três assistentes virtuais com caixa de som e microfone na sua casa.

1. a) Escolha, de forma fundamentada, dois cômodos da casa onde seja tecnicamente funcional e seguro instalá-los, e dois cômodos onde você desaconselharia totalmente a localização deles, justificando o seu critério a partir de riscos de privacidade, acionamentos falsos ou acústica.
2. b) Um membro da família afirma: «A caixa de som não grava nem envia nada para a internet até dizermos a palavra de ativação em voz alta; antes disso o microfone está inativo». Rebata essa afirmação com argumentos técnicos, explicando como funciona a escuta passiva local (wake word engine) e os riscos de ativação acidental.
3. c) Redija três normas de segurança digital e configuração interna indispensáveis que devem ser aplicadas na conta administradora para evitar compras indesejadas, acessos a dados bancários ou armazenamento indefinido de gravações de voz.

Desafio do tema. Climatização inteligente e eficiente na sua casa.

Desenhe uma proposta de sistema domótico e IoT que regule a temperatura do seu quarto de forma eficiente, integrando microcontroladores e conceitos de inteligência artificial.

1. Obtenção de dados reais: Consulte no site do INMET a previsão horária de temperatura da sua localidade para amanhã. Registre em uma tabela as temperaturas previstas entre as $12,0\text{ h}$ e as $18,0\text{ h}$.

2. Arquitetura de controle e IA: Desenhe o diagrama de blocos do seu sistema em malha fechada, identificando sensor, microcontrolador, atuadores e realimentação. Adicione uma regra lógica em que um algoritmo de IA aprenda com os seus hábitos para antecipar a ativação antes que a temperatura desça dos $19,5\text{ }^{\circ}\text{C}$.

3. Simulação virtual: Modele no Tinkercad Circuits ou MakeCode para micro:bit o circuito de controle: um sensor de temperatura ($TMP36$ ou integrado) e dois atuadores (por exemplo, LED azul para resfriamento e vermelho para aquecimento). Programe o código que execute a lógica.

4. Produto final: Entregue um relatório breve (uma página) com a tabela de dados do INMET, o diagrama de blocos, a captura ou o link do circuito programado e uma breve explicação de como os dados seriam enviados para a nuvem via IoT.

Será avaliado:

• Identificação precisa dos elementos do sistema de controle em malha fechada.

• Funcionamento correto do algoritmo e da simulação com o microcontrolador.

• Coerência na justificativa do uso de IoT e IA aplicando os dados reais do INMET.