Exercícios: Domótica, IoT e inteligência artificial

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

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

Responde:

1. a) Nomeia o elemento tapado que está no centro da instalação.

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

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

Classifica estes dispositivos domóticos em sensor ou atuador e justifica dois deles: um detetor de movimento, um estor motorizado, uma câmara, uma tomada inteligente que corta ou fornece corrente e um sensor de fugas de água.

Explica o que é a Internet das Coisas (objetos quotidianos conectados à rede: pulseiras de atividade, frigoríficos, altifalantes, lâmpadas) e o que podem fazer esses objetos graças à ligação que não podiam fazer antes.

Indica quatro vantagens de uma casa domótica — conforto, poupança de energia, segurança e acessibilidade para pessoas idosas ou com mobilidade reduzida — e desenvolve uma delas com um exemplo concreto.

Explica por palavras tuas como aprende um sistema de inteligência artificial: tal como uma criança aprende o que é um cão a ver muitos cães diferentes, o sistema aprende a partir de exemplos. De que necessita em grandes quantidades para aprender bem?

Descreve a cadeia completa quando pedes algo a um assistente de voz: voz → conversão para texto → compreensão da ordem → ação → resposta. Assinala em que etapa pode falhar se houver ruído ou um sotaque pouco comum.

Indica se são verdadeiras ou falsas as seguintes afirmações e justifica 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 domótica registam 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: regista durante semanas quando se acendem as luzes, quando descem os estores e a temperatura da casa.

Explica o que terá aprendido o sistema para fazer a previsão tapada (antecipar as rotinas: por exemplo, aquecer a casa imediatamente antes de a família chegar), por que razão necessita de muitos exemplos de dias diferentes e que risco acarreta registar a vida de um lar com tanto detalhe.

Compara um termóstato programável (obedece a horários fixos) com um termóstato inteligente (aprende quando estão em casa). Explica que dados usa o segundo, que poupança consegue ao não aquecer uma casa vazia e o que acontece se as rotinas mudarem de repente, como nas férias.

Pretende treinar um sistema que distinga o cão do gato da família na câmara da sala. Explica que exemplos forneceria (muitas fotografias etiquetadas de cada um, em diferentes posturas e iluminações), o que aprenderia o sistema com elas e por que razão falharia se apenas lhe mostrasse fotografias tiradas de dia.

Uma «cena» domótica designada «sair de casa» apaga as luzes, desce os estores e ativa o alarme com uma única ordem. Explica o que é uma cena, que vantagem traz agrupar ações e projeta outra cena designada «noite» com pelo menos quatro ações ordenadas.

Um altifalante inteligente está sempre atento à sua palavra de ativação e uma câmara interior grava a sala. Analisa que 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 que configurações reveria antes de os instalar.

Uma casa tem dez aparelhos ligados que consomem em média $2\ \text{W}$ cada um em modo de espera (standby), durante as $24$ horas. Calcula o consumo diário e anual em kWh e o seu custo anual a $0{,}15\ \text{€}$ por kWh, e avalia se esse «custo permanente» compensa consoante o uso que lhes for dado.

Falha a ligação à Internet numa casa domótica. Analisa que funções continuam a funcionar (as decididas pela central localmente: horários, cenas básicas) e quais deixam de funcionar (ordens a partir do telemóvel fora de casa, assistentes de voz na nuvem), e explica o que significa projetar um sistema «à prova de falhas de rede».

A tua família compra uma lâmpada de uma marca, uma tomada de outra e um altifalante de uma terceira, e não comunicam entre si. Explica o que é uma norma ou protocolo comum, por que razão as marcas demoram a adotá-lo e o que verificarias na embalagem antes de comprar o dispositivo seguinte.

A tua avó de 78 anos vive sozinha. Acorda habitualmente entre as 7:30 e as 8:30 h para tomar o pequeno-almoço e a sua medicação. Quer manter a sua independência sem se sentir vigiada por câmaras nem microfones. Projeta um sistema domótico de teleassistência não invasivo:

1. a) Seleciona três tipos de sensores distintos (sem captação de imagem nem som) e especifica a sua localização estratégica na casa.
2. b) Escreve 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-se e uma possível queda na casa de banho.
3. c) Justifica que limites temporais atribuirias 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 rega automática de uma horta escolar durante a primavera, usando medições de humidade 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) Prevê duas decisões erradas que a IA poderia tomar nesta situação anómala se o seu treino não incluísse fenómenos extremos.
2. b) Explica como o enviesamento dos dados de treino influencia as falhas previstas.
3. c) Cria uma regra de controlo de segurança prioritária (independente da IA) que bloqueie o sistema para evitar que as plantas morram por asfixia radicular ou por stress térmico.

Uma família compra um termostato inteligente e uma fechadura eletrónica geridos 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) Analisa as consequências técnicas e de segurança que a habitação sofrerá após o encerramento do serviço (efeito 'dispositivo inutilizado' ou bricking).
2. b) A partir dos registos que o termostato recolhia (temperaturas pretendidas, horas de ativação, geolocalização dos telemóveis vinculados), deduz que informação privada sobre a rotina e os hábitos familiares fica exposta se a base de dados for liquidada e vendida a terceiros.
3. c) Justifica por que razão uma arquitetura domótica local (com um concentrador ou hub na própria habitação) oferece maior resiliência e privacidade em comparação com uma solução 100 % dependente da nuvem.

Um cibercriminoso consegue aceder à rede doméstica de uma habitação comprometendo uma lâmpada Wi-Fi económica cujo firmware nunca foi atualizado.

1. a) Explica o princípio técnico pelo qual um dispositivo tão elementar pode ser utilizado como ponto de entrada (pivoting) para intercetar o tráfego de dados dos computadores ou telemóveis da casa se partilharem a mesma rede.
2. b) Desenha uma proposta de configuração de rede para o router doméstico (mediante segmentação em sub-redes, VLAN ou rede de convidados) que isole os dispositivos da internet das coisas (IoT).
3. c) Justifica por que razão o uso de protocolos domóticos específicos em malha (como Zigbee ou Z-Wave ligados a um gateway) reduz a superfície de ataque em comparação com ligar 30 aparelhos diretamente por Wi-Fi.

Queres programar no controlador domótico uma rotina de «simulação de presença» durante duas semanas de férias familiares.

1. a) Um vizinho propõe-te: «Programa a luz da sala para acender às 20:00 h e apagar às 23:00 h em ponto todos os dias, e desce os estores às 21:00 h». Critica tecnicamente esta proposta e explica por que motivo um observador externo detetaria com facilidade que a habitação está vazia.
2. b) Desenha um algoritmo realista que coordene pelo menos três tipos de atuadores distintos (iluminação distribuída, estores motorizados, colunas de som ou televisor), integrando atrasos pseudoaleatórios e leituras de sensores de luminosidade exterior.
3. c) Identifica dois indícios físicos externos alheios à domótica (como o contador de água ou a acumulação de correio) que denunciariam a ausência e propõe como resolver ou mitigar pelo menos um deles.

Avalia o balanço energético mensal de uma habitação que instalou domótica:

• 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 a consumir 0,5 W cada um.

• Poupança obtida: automatizar o termoacumulador elétrico (1500 W) para que não mantenha a água quente durante 5 horas de vazio 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 deteção de janelas abertas e presença.

1. a) Calcula a energia total consumida por mês (30 dias) exclusivamente pelo funcionamento dos equipamentos domóticos em kWh.
2. b) Calcula a energia total poupada por mês em kWh graças às automatizações do termoacumulador e do aquecimento.
3. c) Determina o balanço líquido mensal em kWh e em euros (a um preço médio de 0,16 €/kWh). Conclui se a instalação representa uma poupança real ou um consumo parasita injustificado.

O monitor de energia de uma habitação regista de forma contínua a potência ativa exigida (kW). Durante a noite (das 01:00 às 06:00 h), o consumo base normal oscila ritmicamente entre 0,08 kW e 0,22 kW devido aos ciclos do compressor do frigorífico.

• Caso A: Numa terça-feira às 02:40 h, o consumo sobe repentinamente para 2,4 kW e permanece constante sem descer durante quatro horas seguidas.

• Caso B: Durante três noites consecutivas, o consumo noturno já não desce ciclicamente: fica cravado de forma ininterrupta em 0,38 kW.

1. a) Interpreta os dados e coloca uma hipótese técnica fundamentada para cada caso sobre que dispositivo ou anomalia física (avaria, fuga, falha de isolamento ou elemento ligado) está a provocar essa curva.
2. b) Desenha o protocolo de atuação automática que o sistema domótico deveria executar para o Caso A antes de alertar o utilizador, fundamentando que atuadores envolveria para prevenir um acidente grave.

Uma família com dois filhos adolescentes decide integrar três assistentes virtuais com coluna e microfone na sua habitação.

1. a) Escolhe fundamentadamente duas divisões da casa onde seja tecnicamente funcional e seguro instalá-los, e duas divisões onde desaconselharias totalmente a sua localização, justificando o teu critério a partir de riscos de privacidade, acionamentos falsos ou acústica.
2. b) Um membro da família afirma: «A coluna não grava nem envia nada para a internet até dizermos a palavra-passe em voz alta; antes disso o microfone está inativo». Rebate com argumentos técnicos esta afirmação, explicando como funciona a escuta passiva local (wake word engine) e os riscos de ativação acidental.
3. c) Redige 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 tua casa.

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

1. Obtenção de dados reais: Consulta no site do IPMA a previsão horária de temperatura da tua localidade para amanhã. Regista numa tabela as temperaturas previstas entre as $12,0\text{ h}$ e as $18,0\text{ h}$.

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

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

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

Avaliar-se-á:

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

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

• Coerência na justificação da utilização de IoT e IA aplicando os dados reais do IPMA.