PREVENT - IoT Theory (UCLan) - ES

IoT y Comunicación - Proyecto PREVENT

Marios Raspopoulos

Inicio

Índice

Objetivos

6. Dispositivos y Componentes IoT

1. Introducción a IoT

7. Conectividad y Comunicaciones IoT

2. Historia de IoT

8. Protocolos de Comunicación de Datos IoT

3. Definiciones

9. Desafíos de IoT

4. Requisitos de IoT

10. Aplicaciones de IoT

5. Arquitecturas de IoT

Evaluación

Índice

Objetivos

6. Dispositivos y componentes IoT

1. Introducción a IoT

7. Conectividad y comunicaciones IoT

2. Historia de IoT

8. Protocolos de comunicación de datos IoT

3. Definiciones

9. Desafíos de IoT

4. Requisitos de IoT

10. Aplicaciones de IoT

5. Arquitecturas de IoT

Evaluación

Objetivos

Este capítulo tiene como objetivo presentar los principios fundamentales y la arquitectura de IoT, discutir, examinar y evaluar los componentes tecnológicos clave que sustentan IoT, aprender a diseñar, codificar y construir soluciones IoT de manera práctica y revisar las aplicaciones tecnológicas principales de IoT

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Introducción a IoT

Las secciones como esta te ayudarán a organizar

01

Introducción a IoT

Las secciones como esta te ayudarán a organizar

'Todo lo que se pueda conectar será conectado.'Kevin Ashton, Padre de IoT

¿Qué es IoT?

Internet de las Cosas (IoT) es un sistema de dispositivos informáticos interrelacionados, máquinas mecánicas y digitales equipadas con identificadores únicos (UIDs) y la capacidad de transferir datos a través de una red sin requerir interacción humano a humano o humano a computadora. ("Iniciativa de Normas Globales para Internet de las Cosas". UIT. Consultado el 26 de junio de 2015.)

¿Qué es IoT?

• IoT es un tema muy popular de I+D principalmente debido a la transformación ubicua de la informática
• Los dispositivos físicos se han vuelto “inteligentes”, capaces de detectar, comunicarse de manera omnipresente e interactuar con su entorno, ofreciendo aplicaciones y soluciones útiles para la humanidad en una variedad de actividades
• p. ej. salud, transporte, agricultura, etc.
• El Informe de Internet de la UIT de 2005 [2] añade una tercera dimensión a la comunicación heredada “EN CUALQUIER LUGAR” y “EN CUALQUIER MOMENTO”; la comunicación “CUALQUIER COSA”

02

Historia de IoT

Kevin Ashton, 1999

¿Historia de IoT?

• 1982: una máquina expendedora de Coca-Cola modificada en la Universidad Carnegie Mellon se convierte en el primer aparato conectado a Internet, capaz de reportar su inventario y si las bebidas recién cargadas estaban frías o no.
• 1991: el artículo de Mark Weiser sobre computación ubicua, "La Computadora del Siglo XXI", así como eventos académicos como UbiComp y PerCom, producen la visión contemporánea de IoT.
• 1993-1997: varias empresas propusieron soluciones como la de Microsoft en Work o NEST de Novell.

¿Historia de IoT?

• 1999: el campo gana impulso cuando Bill Joy visualiza la comunicación entre dispositivos como parte de su "Seis Redes" presentado en el Foro Económico Mundial en Davos.

• 1999 : el término "Internet de las cosas" probablemente fue acuñado por Kevin Ashton de Procter & Gamble, posteriormente del Centro Auto-ID del MIT, aunque él prefiere la frase "Internet para las cosas".

El Mercado Global de IoT

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Definiciones útiles

Definiciones útiles

• Dispositivo: En el contexto de IoT, es un equipo que debe poder comunicarse y opcionalmente detectar, actuar, capturar datos, almacenar datos o procesar datos. La única capacidad obligatoria es la comunicación.
• Cosa: Un objeto dentro del sistema IoT que es capaz de ser identificado e integrado en el sistema de comunicación.
• Cosa física: Un objeto del mundo físico que puede ser detectado, accionado y conectado, conocido como una cosa física (por ejemplo, robots industriales, equipos eléctricos, etc.)
• Cosa virtual: Un objeto en el mundo de la información que puede ser almacenado, procesado y accedido, conocido como cosa virtual. Por ejemplo, contenido multimedia, software de aplicaciones, etc.

Resumen técnico de la IoT de la UIT-T

• Internet de las Cosas: Una infraestructura global de información que permite servicios avanzados mediante la interconexión de Cosas (físicas y/o virtuales) basada en tecnologías existentes y/o emergentes. IoT incluye funciones para identificación, captura de datos, procesamiento y comunicación para ofrecer diferentes tipos de aplicaciones, garantizando seguridad y privacidad.

Resumen técnico de la ITU-T sobre IoT

• Un objeto físico puede ser mapeado (o representado) por uno o más objetos virtuales en el dominio de la Información.
• La información es recopilada por dispositivos físicos (o cosas) en el mundo físico y se comunica a través de redes de comunicación y del dominio de la información para su procesamiento posterior.
• Los dispositivos pueden comunicarse entre sí ya sea a través de la red de comunicación (con o sin una puerta de enlace) o directamente sin usar la red de comunicación o combinaciones de estos enlaces de comunicación.
• El intercambio de información no solo ocurre entre objetos físicos en el mundo físico, sino también entre objetos virtuales en el mundo de la información.

Resumen técnico de la ITU-T sobre el IoT

• Las redes de comunicación ofrecen capacidades para una transferencia de datos confiable y eficiente.
• La infraestructura de la red puede ser implementada mediante tecnologías de red existentes (por ejemplo, redes TCP-IP) o redes emergentes siguiendo las tendencias actuales en telecomunicaciones.

Características fundamentales de IoT

• Interconectividad: Cualquier dispositivo IoT puede estar interconectado con la Infraestructura Global de Información y Comunicación.
• Servicios relacionados con cosas: IoT proporciona servicios que conciernen a las “cosas” conectadas dentro de sus restricciones, como protecciones de privacidad y coherencia semántica entre las cosas físicas y sus cosas virtuales asociadas.
• Heterogeneidad: Dispositivos IoT heterogéneos con diferentes características de hardware y redes se conectan e interactúan con otros dispositivos o plataformas en diversos tipos de redes.
• Cambios dinámicos: Mientras se desplazan e interactúan en un sistema IoT, los dispositivos cambian su estado de forma dinámica.
• Por ejemplo, dormir y despertarse, conectarse o desconectarse mientras cambian de ubicación y velocidad.
• Escala enorme: Por lo general, el número de dispositivos que deben gestionarse y que se comunican entre sí es significativamente mayor que los dispositivos conectados a Internet.
• Esto significa prácticamente que la comunicación iniciada por dispositivos es mucho mayor que la iniciada por humanos. Aún más importante es la gestión y el análisis de los datos generados.

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Requisitos de IoT

Requisitos de IoT

• Conectividad basada en identificación: Es necesario contar con un soporte para que los “Objetos” puedan conectarse a la red IoT en función de sus identificadores (IDs). Esto incluye un procesamiento unificado de identificadores que podrían ser heterogéneos.
• Interoperabilidad: Se debe garantizar la interoperabilidad entre sistemas heterogéneos y distribuidos para soportar una variedad de información y servicios.
• Redes automáticas: La infraestructura de red IoT debe proporcionar funciones de control para redes automáticas, incluyendo autogestión, autoconfiguración, autoreparación, autooptimización y autoprotección, para poder soportar y facilitar la adaptación en diferentes ámbitos de aplicación, diferentes entornos de comunicación y un mayor número y tipos de dispositivos.
• Provisión de servicios autonomos: Los servicios deben ser proporcionados mediante la captura, comunicación y procesamiento automáticos de los datos de los “Objetos” según las reglas configuradas por los operadores y/o suscriptores. Esta provisión de servicios autónomos debe basarse en técnicas de fusión y minería de datos.

Requisitos de IoT

• Capacidades basadas en la ubicación: Las cosas deben poder rastrear su posición para facilitar la prestación de servicios que dependen de su ubicación.
• Seguridad: Existe un requisito importante para integrar diferentes políticas y medidas de seguridad relacionadas con las cosas y su comunicación en un marco de IoT para proteger contra CIA (Confidencialidad, Integridad y Autenticidad) tanto para datos como para servicios.
• Protección de la privacidad: Los datos adquiridos por las “Cosas” pueden contener información privada de sus propietarios y/o sus usuarios. Por lo tanto, es importante que la protección de la privacidad sea compatible durante la transmisión, agregación, almacenamiento, minería y procesamiento de estos datos sin poner obstáculos a la autenticación de la fuente de datos.

Requisitos de IoT

• Servicios relacionados con el cuerpo humano de alta calidad y gran seguridad: Los servicios que se basan en la captura, comunicación y procesamiento de datos relacionados con el comportamiento humano (por ejemplo, ejercicio, salud, ubicación, etc.) de forma automática o mediante intervención humana deben ofrecerse garantizando alta calidad, precisión y seguridad.
• Conectar y Usar: Es importante que los sistemas de IoT soporten la capacidad de "plug and play" (conectar y usar) para permitir o facilitar la generación, composición y adquisición en tiempo real de configuraciones basadas en semántica. Esto facilita la integración fluida de una red de objetos con las aplicaciones correspondientes y responder de manera eficiente a los requisitos de dichas aplicaciones.

• Gestión: Las aplicaciones en un sistema IoT generalmente necesitan funcionar automáticamente sin intervención o participación de las personas, por lo que todo el proceso operativo debe ser gestionable por las entidades relevantes para garantizar operaciones normales en la red.
• Escalabilidad: Cualquier arquitectura de IoT debe ser altamente escalable y capaz de soportar un número muy grande y en aumento progresivo de dispositivos que envían, reciben y actúan sobre datos constantemente.

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Arquitecturas IoT

La importancia de tener una arquitectura de referencia

• Para garantizar la conectividad e interoperabilidad, es importante que exista una arquitectura de referencia de IoT sobre la cual se basen todas las aplicaciones de IoT.
• Sin embargo, no hay un consenso sobre una única arquitectura de IoT, aceptada globalmente.
• La literatura principalmente reporta dos modelos arquitectónicos para IoT:
• una arquitectura de 3 capas
• una arquitectura de 5 capas
• algunas arquitecturas con fines específicos.

• Paralelamente a los esfuerzos de investigación reportados en la literatura, la Unión Internacional de Telecomunicaciones (UIT) inició en 2012 un esfuerzo para estandarizar el modelo de arquitectura funcional para IoT.

Arquitectura de 3 capas

• La arquitectura IoT más básica.
• Se introdujo por primera vez en 2009
• Consta de
• Capa de percepción
• Capa de red
• Capa de aplicación
• Es simple y define la idea principal de IoT, pero no es suficiente para fines de investigación e innovación, ya que la investigación se centra en aspectos más específicos y detallados de IoT.

Arquitectura de 3 capas

• Capa de percepción: Proporciona los mecanismos (sensores) a través de los cuales las cosas perciben su entorno.
• Incluye dispositivos de detección que miden diferentes parámetros o condiciones en su entorno (por ejemplo, termómetros, sensores de humedad, sensores inerciales, etc.) y funciones para encontrar e identificar objetos.
• Capa de red: Esta capa es responsable de la conectividad de las cosas con otras cosas, con dispositivos de red (por ejemplo, enrutadores, puntos de acceso, etc.), con servidores y con Internet.
• Incluye funciones para conectar, asociar, autenticar con el nodo cercano, transmitir la información recopilada y/o recibir acciones a realizar por la cosa desde la red. La capa de red se implementa utilizando tecnologías de red y móviles actuales y emergentes (por ejemplo, estándares IEEE802.11, 4G, 5G, Zigbee, Bluetooth, etc.) así como diferentes tipos de protocolos de red y recopilación de datos (por ejemplo, TCP/IP, MQTT, etc.).
• Capa de aplicación: Esta capa es responsable de la entrega de los servicios de la aplicación a los usuarios/suscriptores. Es responsable de utilizar el contexto recopilado de las capas inferiores para ofrecer aplicaciones inteligentes a los usuarios finales (por ejemplo, hogares inteligentes, e-salud, transporte inteligente, etc.).
• Es el objetivo final del sistema IoT, que consolida la entrada de las tecnologías subyacentes para ofrecer aplicaciones útiles y fáciles de usar a los usuarios. Por lo tanto, principalmente incluye funciones de desarrollo de software inteligente.

Arquitectura de 5 Capas

• La capa de Percepción y la capa de Aplicación son iguales que en la arquitectura de 3 capas, mientras que la capa de Red se renombra a capa de Transporte
• Se añaden dos capas nuevas:
• la capa de procesamiento
• la capa de negocio

Arquitectura de 5 Capas

Capas adicionales en comparación con la Arquitectura de 3 Capas

• Capa de Negocio: Es responsable de la gestión de todo el sistema IoT, incluyendo los modelos de negocio y beneficio, la facturación y la privacidad de los usuarios. Esta capa también se ocupa de la investigación y desarrollo en el dominio de IoT.

• Capa de Procesamiento: También conocida como la capa middleware, la capa de procesamiento es responsable del almacenamiento y análisis de los datos recopilados en la capa de percepción y comunicados a través de la capa de transporte. Incluye bases de datos, almacenamiento en la nube y capacidades de computación, módulos de análisis de datos, etc.

Arquitecturas en la Nube

Marco conceptual de IoT con Computación en la Nube en el Centro

• El procesamiento se realiza de forma centralizada en servidores de computación en la nube.
• Este es un enfoque centrado en la nube donde todas las aplicaciones se construyen utilizando la red de comunicación para transmitir los datos de ida y vuelta.
• Este tipo de enfoque ofrece beneficios de flexibilidad y escalabilidad.
• El desarrollo de IoT puede realizarse utilizando herramientas de almacenamiento, minería de datos y aprendizaje automático, visualización y otras disponibles en la nube.

J. Gubbi, R. Buyya, S. Marusic y a. M. Palaniswami, “Internet de las Cosas (IoT): Una visión, elementos arquitectónicos y direcciones futuras,” Future Generation Computer Systems, vol. 29, no. 7, pp. 1645-1660, 2013.

Arquitecturas Basadas en Niebla

Puerta de enlace inteligente con computación en Fog/red inteligente

• Los sensores, así como las puertas de enlace de la red, realizan parte del procesamiento y análisis de los datos.
• Las capacidades de la computación en la nube se extienden hasta el borde de la red, lo que, debido a la localización de los datos, reduce significativamente la latencia, permitiendo la entrega rápida de datos en tiempo real y la provisión de aplicaciones de baja latencia y sensibles al retardo (por ejemplo, transmisión en tiempo real, aplicaciones de e-salud, etc.).
• Dado que se realiza algún preprocesamiento en los sensores o las puertas de enlace inteligentes antes de llegar a la nube central, puede haber problemas de interoperabilidad y transcoding que resolver.

M. a. H. E.-N. Aazam, “Computación en niebla y comunicación basada en puertas de enlace inteligentes para la Nube de las Cosas,” en la Conferencia Internacional sobre Internet del Futuro de las Cosas y la Nube, Barcelona, 2014.

Arquitecturas Basadas en la Nube

• La Capa Física incluye todos los objetos físicos y virtuales, así como las redes físicas y virtuales que los interconectan.
• La Capa de Monitoreo es responsable del monitoreo de las actividades de los nodos y redes en la capa física.
• La Capa de Preprocesamiento es responsable de tareas relacionadas con la gestión de datos, como el análisis de los datos recopilados, filtrado de datos, reconstrucción y recorte para generar datos más significativos y útiles para un procesamiento posterior (el ejemplo típico es el análisis de datos inerciales de acelerómetros, magnetómetros y giroscopios para extraer información de navegación como dirección de movimiento, velocidad, orientación, aceleración, etc.)
• La Capa de Almacenamiento Temporal almacena temporalmente los datos generados por la Capa de Preprocesamiento en los recursos de la niebla (fog). Estos datos se mantienen en la niebla solo hasta que se cargan en la nube y luego se eliminan.
• Capa de Seguridad: Dado que puede generarse datos privados y sensibles en las capas subyacentes (por ejemplo, en atención médica, ubicación, IoT militares), debe existir funcionalidad para proporcionar seguridad. Esta es la función de la capa de seguridad, que incluye cifrado/descifrado, privacidad, autenticación y medidas de integridad.
• La Capa de Transporte es responsable de cargar los datos preprocesados y seguros en la nube.

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Dispositivos y componentes de IoT

Dispositivos y componentes IoT

Introducción

• Un sistema IoT generalmente incluye una gran (y en algunos casos enorme) cantidad de dispositivos heterogéneos con diferentes capacidades y resulta desafiante cómo todos estos dispositivos interactúan entre sí.
• Los dispositivos se categorizan como portadores de datos, capturadores de datos, sensores y actuadores.
• Los capturadores de datos y portadores de datos son responsables de la lectura y/o escritura de información desde o hacia los objetos físicos (por ejemplo, sensores de temperatura, sensores infrarrojos, lectores de códigos de barras, etc.).
• Un dispositivo general, por otro lado, tiene capacidades integradas de procesamiento y comunicación (por ejemplo, un microcontrolador) para realizar funciones más sofisticadas o facilitar el desarrollo de sistemas IoT independientes sin necesidad de conectarse a la red de área amplia.
• Basándose en estas categorizaciones, se pueden clasificar los dispositivos según su potencia de procesamiento y sus capacidades de conectividad.

Tipos de Dispositivos

• Dispositivo de Transmisión de Datos: Un dispositivo que se conecta directamente a un objeto físico para conectarlo indirectamente a la red de comunicación.
• Dispositivo de Captura de Datos: Un dispositivo con funciones de lectura/escritura capaz de interactuar con los objetos físicos ya sea directamente mediante portadores de datos conectados al objeto físico o indirectamente a través de un dispositivo de transmisión de datos.
• Dispositivo de Sensado y Actuación: Un dispositivo capaz de detectar y medir datos en su entorno y digitalizarlos. Por el contrario, puede convertir señales electrónicas de la red de comunicación en acciones/operaciones.
• Normalmente, este tipo de dispositivos se comunican entre sí de forma inalámbrica o mediante cables en una red local y utilizan pasarelas para conectar diferentes redes.

Clasificación de Dispositivos IoT

Basado en la potencia de procesamiento

• Dispositivos sin capacidad de procesamiento: En el contexto de IoT, estos se consideran dispositivos pasivos, generalmente de bajo costo y sin microcontroladores (por ejemplo, RFID).
• Dispositivos con baja capacidad de procesamiento: Sus capacidades de procesamiento se limitan a leer y escribir datos desde o hacia sensores y actuadores, y enviar estos datos a aplicaciones IoT, pero no pueden tomar decisiones ni ejecutar algoritmos complejos. Generalmente son de bajo costo y suelen incorporar un microcontrolador de muy bajo consumo y costo (por ejemplo, una luz inteligente o un sensor de puerta).
• Dispositivos con alta capacidad de procesamiento: Tienen suficiente potencia para tomar decisiones y ejecutar algoritmos complejos. Suelen ser de alto costo ya que emplean un microcontrolador potente (por ejemplo, un sistema de enfriamiento inteligente o un termostato inteligente).

Clasificación de Dispositivos IoT

Basado en la Conectividad

• Dispositivos con baja conectividad: Este tipo de dispositivos no se conectan directamente a la red de comunicación para transferir los datos, sino que dependen de elementos adicionales (por ejemplo, puerta de enlace) para realizar tareas de comunicación (por ejemplo, traducción de protocolos o conectividad a Internet).
• Dispositivos con alta conectividad: Tienen el hardware y la capacidad para conectarse directamente a la red para transferir los datos.

Clasificación de dispositivos IoT

Basado en ITU-T

• La Recomendación ITU-T Y.4460 define los modelos de arquitectura de dispositivos con diferentes capacidades. Específicamente, propone modelos para dispositivos con:
• Bajo Procesamiento y Baja Conectividad (LPLC)
• Bajo Procesamiento y Alta Conectividad (LPHC)
• Alto Procesamiento y Alta Conectividad (HPHC)

Los componentes principales de un sistema IoT

• Sensores/Actuadores y Tecnología Embebida
• Conectividad
• Gestión de Datos y Análisis IoT
• Nube IoT
• Interfaz de Usuario

Sensores/Actuadores y Tecnología Embebida

• Considerado como la interfaz principal de cualquier aplicación o sistema de IoT.
• Sensores facilitan el concepto de conciencia contextual, de modo que se recopila y sube conocimiento sobre el entorno para su procesamiento posterior en la red de comunicación conectada.
• Actuadores, reciben instrucciones de la red de comunicación y realizan acciones en el entorno en el que se encuentran.

Sensores

General

• Un sensor es un dispositivo que se utiliza para medir una magnitud física convirtiéndola en una señal que puede ser interpretada por el sistema.
• En IoT, las magnitudes físicas del entorno (por ejemplo, temperatura, humedad, inercia, etc.) se miden y luego se convierten en señales electrónicas que se digitalizan para enviarlas a la red de comunicación.
• Los sensores generalmente incluyen transductores que, por definición, pueden convertir una forma de energía en otra.
• Según la aplicación, hay muchos sensores posibles que se pueden usar en un sistema IoT (sensores de temperatura, RFID, sensores de luz, sensores electromagnéticos, etc.).

Sensores

Criterios de clasificación

• Requisitos de alimentación eléctrica: Sensores pasivos o auto-generadores, que generan directamente una señal eléctrica en respuesta a un estímulo externo sin necesidad de una fuente de alimentación externa (por ejemplo, sensores de termopar o piezoeléctricos). Los sensores activos requieren una fuente de alimentación externa o una señal de excitación para su funcionamiento, y en este caso la potencia de la señal de salida proviene de la fuente de alimentación (por ejemplo, sensores infrarrojos o de sonar).
• Naturaleza de la señal de salida: Los sensores pueden ser analógicos o digitales. Los sensores analógicos generan señales que son continuas tanto en su magnitud como en su contenido temporal o espacial (por ejemplo, temperatura, desplazamiento, luz, etc.). Los sensores digitales generan señales que son discretas en el tiempo y en la amplitud (por ejemplo, codificadores de eje, interruptores, etc.).
• Modo de operación: Los sensores de modo de deflexión generan una respuesta que es una deflexión o desviación de la condición inicial del instrumento, y esta deflexión es proporcional a la magnitud medida (por ejemplo, sensor de presión). Un sensor de modo nulo ejerce una influencia sobre el sistema medido para oponerse al efecto de la magnitud medida. La influencia y la magnitud medida se equilibran (generalmente mediante retroalimentación) hasta que son iguales pero de valor opuesto, produciendo una medición nula. Los sensores de modo nulo pueden producir mediciones muy precisas, pero no son tan rápidos como los instrumentos de deflexión (por ejemplo, sensores de puente de Wheatstone).
• Magnitud medida: Sensores que dependen de la cantidad que miden (por ejemplo, mecánica, térmica, magnética, radiante, etc.)
• Variable de medición física: Dependiendo de si los sensores se basan en la variación de resistencia, capacitancia o inductancia, pueden clasificarse como resistivos, capacitivos o inductivos.

Sensores

Criterios de selección

• De acuerdo con la aplicación, así como los requisitos de precisión y exactitud, los sensores deben seleccionarse considerando los siguientes aspectos:
• Precisión de las lecturas de entrada
• Fiabilidad y repetibilidad de la entrada
• Las condiciones del entorno en el que se colocarán los sensores
• Costo y consumo de energía

Actuadores

General

• Los actuadores son dispositivos que pueden afectar el entorno al que pertenecen, convirtiendo señales eléctricas en diferentes acciones o formas de energía.
• Los ejemplos incluyen luces, pantallas, motores, brazos robóticos, elementos de calefacción/refrigeración, etc. Los actuadores basados en movimiento se clasifican típicamente en actuadores eléctricos, hidráulicos o neumáticos.
• Los actuadores eléctricos convierten las señales eléctricas en algún tipo de rotación (por ejemplo, motor) o movimiento, los hidráulicos facilitan el movimiento mecánico usando fluidos, mientras que los neumáticos usan la presión del aire comprimido.
• En el ejemplo típico de un sistema de automatización del hogar inteligente, podemos encontrar actuadores que bloquean/desbloquean puertas, encienden/apagan las luces, calientan para aumentar la temperatura, etc.

Microcontroladores y Sistemas Embebidos

¿Qué es un microprocesador/microcontrolador?

• Un sensor es un dispositivo que convierte las magnitudes físicas o estados recibidos en señales (analógicas o digitales).
• Un actuador es el dispositivo que convierte las señales digitales en algún tipo de efecto físico.
• El microprocesador se considera el sistema de computación que se encuentra en el medio y procesa y/o genera las señales digitales.
• Un microcontrolador tiene una unidad central de procesamiento (CPU), una cantidad fija de memoria (RAM y ROM) así como otros puertos de entrada/salida y periféricos todos integrados en un solo chip.

Características del microcontrolador

Elegir un microcontrolador

• No se puede adoptar un enfoque de "talla única". Es necesario tener en cuenta varias características al elegir el microcontrolador:
• Bits: Los microcontroladores tienen diferentes capacidades en cuanto al número de bits que soportan. Esto afecta su velocidad de procesamiento. Los tamaños típicos son 8 bits, 16 bits, 32 bits y 64 bits.
• Memoria: La Memoria de Acceso Aleatorio (RAM) es una memoria de acceso rápido que no mantiene los datos cuando no hay energía en el dispositivo. Los microcontroladores están integrados con este tipo de memoria para realizar acciones rápidamente. Vienen en diferentes tamaños, pero aumentar el tamaño de la memoria, aunque mejora la capacidad de procesamiento, incrementa el costo.
• Flash o ROM: Es la memoria del microcontrolador que retiene los datos almacenados cuando la energía está apagada. No es tan grande como la RAM, pero es necesaria para soportar almacenamiento offline.
• Pines de Entrada/Salida de Uso General (GPIO): Son los puntos de conexión para los sensores y actuadores. El número de pines puede variar desde unos pocos hasta cientos, dependiendo del tamaño y costo del microcontrolador.
• Conectividad: La capacidad del microcontrolador para establecer conexiones a la red o Internet. Esto puede hacerse vía Wi-Fi, Bluetooth, Ethernet cableado u otra tecnología de comunicación.
• Consumo de energía: Es un aspecto importante, ya que determinará cuántos sensores y actuadores activos podrá alimentar y controlar el microcontrolador, especialmente cuando está alimentado por fuentes alternativas (por ejemplo, solar). Es importante que los dispositivos IoT sean eficientes energéticamente para poder realizar tareas durante mucho tiempo sin necesidad de encenderlos regularmente.
• Herramientas de desarrollo y comunidad: Es muy útil que los microcontroladores vengan con herramientas de desarrollo y documentación relacionada para facilitar su integración en soluciones IoT. Contar con una comunidad o foros que trabajen en diferentes tipos de microcontroladores hace que el trabajo de los integradores/desarrolladores sea mucho más fácil para encontrar información relacionada.
• Algunos microcontroladores IoT populares son Arduino, ARM, Raspberry Pi y muchos otros.

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Conectividad y Comunicaciones IoT

Conectividad

Una de las bases para IoT

• Hay una cantidad abrumadora de opciones para la conectividad IoT
• Requisitos:
• Inalámbrica (instalación más sencilla, reconfigurabilidad, movilidad, etc.)
• Compromiso
• Consumo de energía
• Alcance
• Ancho de banda
• Requisitos de QoS

Conectividad

Desafíos

• La conectividad es un ingrediente clave de un sistema IoT
• Recuerda que la única capacidad obligatoria de un dispositivo IoT es la comunicación. Cualquier dispositivo conectado a una plataforma IoT debe ser capaz de enviar o recibir datos de la red conectada.
• Hay varios desafíos que deben considerarse y tratarse en la comunicación en IoT:
• Identificación y direccionamiento: Dado que puede haber un gran número de dispositivos IoT conectados a la red de comunicación, deben existir mecanismos y protocolos eficientes para identificar estos dispositivos mediante direcciones únicas. Debido a la escasez de direcciones en el protocolo IPv4, IPv6 se vuelve una necesidad en IoT.
• Comunicación de bajo consumo: Los dispositivos IoT suelen ser dispositivos de bajo consumo con muchas restricciones de energía. Por lo tanto, debe asegurarse que la tecnología de comunicación no consuma mucha de la energía disponible en estos dispositivos.
• Protocolos de enrutamiento eficientes con bajos requisitos de memoria.
• Comunicación de alta velocidad. La tasa de datos y el rendimiento, así como la latencia, se vuelven parámetros muy importantes en las comunicaciones IoT, ya que el volumen de datos puede ser significativamente alto y los tiempos de entrega pueden necesitar ser muy bajos.
• Movilidad. Un aspecto clave de los sistemas IoT modernos, ya que muchos de los dispositivos necesitan moverse (por ejemplo, transporte inteligente).

Conectividad

Redes, Tecnologías Móviles y Protocolos

• En IoT, la conexión a Internet generalmente y habitualmente se logra usando el Protocolo de Internet (IP) a pesar de que la pila de protocolos IP consume energía y memoria en los dispositivos conectados.
• Por esta razón, también es posible que los dispositivos se conecten a la red local usando tecnologías no-IP como RFID, Bluetooth, NFC, etc., aunque estas tecnologías tienen un alcance limitado.
• Estas tecnologías de corto alcance se usan para redes de área personal (PAN) y son bastante populares en aplicaciones de IoT como wearables.
• Para redes de área local (LAN), se deben usar tecnologías compatibles con IP, aunque el protocolo IP necesita ser modificado para soportar comunicaciones de bajo consumo.
• Uno de estos protocolos es 6LoWPAN, que incorpora IPv6 con requisitos de menor consumo energético. Otras tecnologías de red que se pueden usar en IoT incluyen IEEE802.15.4, RFID, LTE, 5G, estándares 802.11, Z-wave, etc.

Bluetooth

• Bluetooth es una especificación para el uso de comunicaciones por radio de bajo consumo para enlazar teléfonos, ordenadores y otros dispositivos de red a cortas distancias sin cables.
• Interfaz de radio universal para conectividad inalámbrica ad-hoc
• Interconexión de ordenadores y periféricos, dispositivos de mano, PDAs, teléfonos móviles – reemplazo de IrDA
• Integrado en otros dispositivos – bajo coste (< 1 $)
• Alcance corto (10 m), bajo consumo de energía, libre de licencias, 2.4 GHz ISM
• Transmisión de voz y datos

Características de Bluetooth

• Capacidad inalámbrica de corto alcance universal
• Utiliza la banda de 2.4 GHz
• Disponible globalmente para usuarios sin licencia
• Los dispositivos dentro de 10 m pueden compartir hasta 2.1 Mbps o 24 Mbps de capacidad
• Admite una lista abierta de aplicaciones
• Datos, audio, gráficos, video
• Comenzó como IEEE 802.15.1
• Nuevos estándares provienen del Grupo de Interés Especial de Bluetooth (Bluetooth SIG)
• Consorcio industrial
• Bluetooth 2.0, 2.1, 3.0, 4.0, 5.0 y 6.0

Dispositivos Bluetooth

Ejemplos típicos de Bluetooth

Encontrar y alertar dispositivos

Bluetooth

Piconets y Scatternets

• Bluetooth es una tecnología de LAN inalámbrica diseñada para conectar dispositivos de diferentes funciones cuando están a corta distancia entre sí.
• Una LAN Bluetooth es una red ad hoc.
• Los dispositivos, a veces llamados gadgets, se encuentran y crean una red llamada piconet.
• Utiliza la Espectro de Salto de Frecuencia para evitar interferencias y mejorar la seguridad (FHSS)
• Bluetooth define dos tipos de redes:
• piconet y
• scatternet.

Bluetooth

Piconets

• Una piconet puede tener hasta ocho estaciones, una de las cuales se llama la primaria; las demás se llaman secundarias.
• Todas las estaciones secundarias sincronizan sus relojes y secuencia de salto con la primaria.
• Ten en cuenta que una piconet solo puede tener una estación primaria.
• La comunicación entre la estación primaria y secundaria puede ser uno a uno o uno a varios

Bluetooth

Red dispersa

• Una estación secundaria en una piconet puede ser la primaria en otra piconet.
• Esta estación puede recibir mensajes de la primaria en la primera piconet (como secundaria) y, actuando como primaria, entregarlos a las secundarias en la segunda piconet.
• Una estación puede ser miembro de dos piconets.

Bluetooth Smart

Optimizado para bajo consumo de energía

• Los paquetes cortos reducen la corriente pico de transmisión
• Los paquetes cortos reducen el tiempo de recepción
• Menos canales RF para mejorar el descubrimiento y el tiempo de conexión
• Máquina de estados sencilla
• Diseñado para la transmisión de pequeños fragmentos de datos (1 Mbps, pero no optimizado para transmisión de datos)

Bluetooth Smart

Detalles técnicos

Red de malla Bluetooth

Diseño

• El funcionamiento de la red en malla está diseñado para:
• permitir que los mensajes se envíen de un elemento a uno o más elementos (comunicaciones entre dispositivos varios a varios (m:m));
• permitir que los mensajes se retransmitan a través de otros nodos para extender el alcance de la comunicación;
• proteger los mensajes contra ataques de seguridad conocidos, incluyendo ataques de escucha, ataques man-in-the-middle, ataques de repetición, ataques de cubo de basura, ataques de fuerza bruta a la clave, …;

• funcionar con los dispositivos existentes en el mercado actual;
• entrega mensajes de manera oportuna;
• continúar funcionando cuando uno o más dispositivos se mueven o dejan de operar; y
• tener compatibilidad hacia adelante incorporada para soportar futuras versiones de la especificación del Perfil Mesh.

WPAN - Zigbee

Intro

• ZigBee es un estándar de comunicación inalámbrica diseñado por la ZigBee Alliance.
• Diseñado para:
• implementación sencilla
• bajo consumo de energía
• Aplicaciones objetivo:
• Aquellas que requieren comunicaciones seguras, bajas tasas de transmisión de datos y que maximizan la duración de la batería
• Diseñado para aplicaciones industriales así como residenciales
• Sensores y dispositivos de control
• ZigBee está definido a partir de una pila de protocolos que permite una comunicación sencilla y eficiente entre diferentes dispositivos.
• Las capas inferiores: PHY y MAC, están definidas por IEEE 802.15.4.
• Capas superiores: NWK y APS, están definidas por ZigBee Alliance.
• La capa de red (NWK) gestiona tareas de enrutamiento y el mantenimiento de nodos de la red
• La subcapa de soporte de aplicaciones (APS) establece una interfaz entre la capa de red y los Objetos de Dispositivo ZigBee (definidos por el estándar o los fabricantes)

WPAN - Zigbee

Aplicaciones

• Especialmente adecuado para situaciones donde el consumo de energía y/o los costos de implementación son críticos
• Está diseñado para ser útil en una amplia variedad de aplicaciones:
• Control y monitoreo industrial
• Alojamiento de sensores integrados
• Recolección de datos médicos
• Seguridad pública
• Detección y localización en sitios de desastre

WPAN - Zigbee

Aplicaciones

• Domótica y redes
• Interconexión de redes
• Conexión de periféricos (tasa de transmisión 115 kbps, latencia 15 ms)
• Ratones inalámbricos, teclado, joysticks, PDAs, juegos
• Control de electrónica de consumo (10 kbps, 100 ms)
• Radio, televisores, CDs, VCRs, DVDs y otros
• Control remoto universal para controlarlos todos
• Domótica (10 kbps, 100 ms)
• Calefacción, ventilación y aire acondicionado (HVAC)
• Seguridad
• Iluminación
• Control de objetos como cortinas, ventanas, puertas y cerraduras
• Monitoreo de salud (10 kbps, 100 ms)
• Monitoreo médico de personas mayores que viven solas
• Juguetes y juegos interactivos (115 kbps, 15 ms)

• Agricultura de precisión
• detección de humedad del suelo, pesticidas, herbicidas o niveles de pH
• detección de humedad del suelo (sistemas de goteo, usando solo la cantidad de agua necesaria para mantener las plantas verdes)
• Control de flotas
• Detección en automoción
• Monitoreo de presión de neumáticos
• Niveles de aceite
• Kilometraje
• Tarjetas y etiquetas inteligentes
• Detección de humo o intrusos

WPAN - Zigbee

Disposiciones de red

WLAN - WIFI

Intro

• Junto con la tecnología celular, el Wi-Fi es el protocolo de conectividad más conocido y está presente en casi todos los hogares del mundo.
• Primera instancia: Brindar conectividad "sobre la marcha" en aeropuertos, hoteles, cibercafés y centros comerciales
• El objetivo era proporcionar navegación web, correo electrónico y, para usuarios empresariales, acceso a la red de la oficina a través de aplicaciones de red privada virtual (VPN)
• Luego, la LAN inalámbrica se consolidó en el entorno doméstico y de oficina
• Ahora, disponible en muchos dispositivos: ordenadores, impresoras, consolas de juegos, servidores multimedia, escáneres
• desde dispositivos tan pequeños como un teléfono inteligente o tan grandes como una pantalla en un auditorio
• El Wi-Fi puede usarse para enlazar fácilmente dispositivos IoT, así como para conectarlos a puntos de acceso inalámbricos que a su vez se conectan a sistemas en la nube

Wi-Fi

Estándar IEEE 802.11

WLAN - WIFI

802.11 - Arquitectura de una red de infraestructura

• Estación (STA)
• terminal con mecanismos de acceso al medio inalámbrico y contacto por radio con el punto de acceso
• Conjunto de Servicios Básicos (BSS)
• grupo de estaciones que utilizan la misma frecuencia de radio
• Punto de Acceso
• estación integrada en la LAN inalámbrica y en el sistema de distribución
• Portal
• puente a otras redes (cableadas)
• Sistema de Distribución
• red de interconexión para formar una red lógica (EES: Conjunto de Servicios Extendidos) basada en varias BSS

WLAN - WIFI

El Conjunto de Servicios Básicos (BSS)

• El punto de acceso funciona como puente y punto de retransmisión.
• En un BSS, las estaciones clientes no se comunican directamente entre sí. Si una estación en el BSS quiere comunicarse con otra estación en el mismo BSS, la trama MAC se envía primero desde la estación fuente al punto de acceso, y luego desde el punto de acceso a la estación de destino.
• De manera similar, una trama MAC de una estación en el BSS a una estación remota se envía desde la estación local al punto de acceso y luego es retransmitida por el punto de acceso a través del DS en su camino hacia la estación de destino.
• El BSS generalmente corresponde a lo que se denomina una celda en la literatura.
• El DS puede ser un conmutador, una red cableada o una red inalámbrica.

WLAN - WIFI

El Conjunto de Servicios Extendidos (ESS)

• Un conjunto de servicios extendidos (ESS) consta de dos o más conjuntos de servicios básicos interconectados por un sistema de distribución.
• Normalmente, el sistema de distribución es una LAN backbone cableada, pero puede ser cualquier red de comunicaciones.
• El conjunto de servicios extendidos aparece como una LAN lógica única en el nivel de control de enlace lógico (LLC).

WLAN - WIFI

Tipos de redes Wi-Fi

• Redes de infraestructura
• Redes Ad-Hoc

Ir

Ir

WLAN - WIFI

Red de infraestructura

• Conexiones entre dispositivos inalámbricos realizadas mediante un punto de acceso que también permite a los dispositivos enlazarse a una red cableada

Redes de Infraestructura

Puntos de Acceso

• ¿Cuál es la diferencia entre un enrutador inalámbrico y un punto de acceso?
• Los enrutadores inalámbricos incluyen un punto de acceso, conmutador y enrutador de banda ancha.
• Un punto de acceso es un transmisor/receptor de radio que se usa principalmente para conectar inalámbricamente y mediante cable (Ethernet) una red. Un punto de acceso solo proporciona una interfaz/portal para que los clientes inalámbricos se conecten a tu LAN existente.
• Un enrutador tiene funciones adicionales: Permite que múltiples clientes se conecten a Internet asignando direcciones IP internas, tiene capacidades NAT, y a menudo cuenta con un conmutador integrado. 'Enruta' el tráfico entre dos redes diferentes, generalmente Internet en el lado WAN y tu red local en el lado LAN.

WLAN - WIFI

Red ad-hoc

• Un tipo de red inalámbrica descentralizada.
• Ad hoc porque no depende de una infraestructura preexistente, como enrutadores en redes cableadas o puntos de acceso
• Conexiones temporales entre dispositivos – sin conexión a una red cableada
• Sus casos de uso incluyen transferencia de datos entre teléfono inteligente y portátil, juegos, etc.

WLAN - WIFI

Requisitos de WLAN

WLAN - WIFI

Configuraciones 802.11

• SSID – (Identificador del conjunto de servicios) Nombre de la red
• Ad-Hoc o Infraestructura
• Seguridad
• WPA (personal o empresarial), WPA2 (personal o empresarial) o WPA3 (personal o empresarial)

• Canal – frecuencia de radio
• BSSID: La dirección MAC del punto de acceso

Red de malla WiFi

Red de malla

• PROS
• Menor dependencia de redes cableadas
• Reducción del tiempo de instalación
• Fácilmente ampliable
• CONTRAS
• Podría reducir el rendimiento
• Algo difícil de mantener
• Dependencia de energía eléctrica

Fuente: www.shadowandy.net

Wi-Fi Hallow

Diseñado para IoT

• Diseñado específicamente para IoT
• Basado en el estándar IEEE 802.11ah
• Ofrece el alcance, las velocidades de datos, la penetración y los perfiles de bajo consumo de energía esperados en entornos IoT
• Casos de uso:
• Automatización industrial
• Logística y transporte
• Agricultura
• Automatización del hogar y edificios
• Ciudades inteligentes

Fuente: Wi-Fi Alliancewww.wi-fi.org/discover-wi-fi/wi-fi-halow

Wi-Fi Hallow

Atributos

Wi-Fi Hallow

TWT Y RAW

• Hora de activación objetivo (TWT)
• Los dispositivos cliente que esperan dormir durante largos períodos pueden negociar un contrato TWT con el AP.
• El AP almacena cualquier tráfico destinado al cliente hasta que se alcanza la hora de activación acordada.
• Cuando el dispositivo cliente despierta en el horario prescrito, escucha su baliza y se comunica con el AP para recibir y transmitir los datos necesarios antes de volver a su estado de sueño.
• El intervalo entre las horas de activación, negociado por el cliente y el AP, puede variar desde especialmente corto (microsegundos) hasta muy largo (años).
• Ventana de acceso restringido (RAW)
• Para sistemas con períodos de actividad predecibles, un AP puede conceder a un subconjunto de clientes privilegios RAW para transferir sus datos, mientras que otros pueden ser forzados a dormir, almacenar datos no urgentes o ambos.
• Los dispositivos cliente ahorran energía y dejan más capacidad de red disponible para otro tráfico crítico en el tiempo.
• Al combinar las funciones TWT y RAW, un diseñador de redes puede minimizar la contención del canal y ahorrar energía en todo el sistema.

IEEE 802.11ax

Wi-Fi 6

• IEEE 802.11ax, etiquetado como Wi-Fi 6 por la Wi-Fi Alliance
• Se puede pensar como Wireless de Alta Eficiencia
• Las mejoras clave no son basadas en la velocidad de transmisión, sino en eficiencia y soporte para transmisiones de múltiples usuarios.
• También soporta OFDMA (como LTE), ahorro de energía TWT, soporte para 2.4GHz y 5GHz, BSS coloring, 1024QAM, etc.
• 802.11ax es una evolución de 802.11ac diseñada para soportar entornos de Densidad Ultra Alta (UHD) con muchos usuarios, con tres o cuatro clientes 802.11, todos consumiendo recursos de red simultáneamente
• Esto lo hace ideal para el IoT
• Las primeras 2 versiones del estándar fueron rechazadas.
• La tercera versión se acordó el 01/07/18
• Aprobación por IEEE a finales de 2019

IEEE 802.11ax

Mejoras clave

• Operación en 2.4GHz y 5GHz
• OFDMA
• Coloración BSS
• Hora de despertar objetivo
• 1024 QAM

LoRA (Long Range) WAN

• LoRa significa Alcance Largo
• Una tecnología de capa física creada por una empresa privada llamada Semtech
• En este sentido, Semtech mantiene la propiedad de la capa física y permite a terceros desplegar redes utilizando el estándar LoRaWAN.
• LoRa utiliza su propio esquema de modulación de espectro disperso (Espectro Disperso LoRa) implementado en bandas ISM: 868 (Europa), 915 (EE. UU.) y 433 MHz (Asia).
• Está diseñado para comunicaciones de largo alcance (hasta 22 km en áreas rurales o de 2 a 5 km en entornos urbanos).
• Uno de los requisitos también es el bajo consumo de energía, por lo que mantiene tasas de datos bajas (de 0,3 a 50 kbps para enlace ascendente) y solo responde a transmisiones previas en enlace descendente (el nodo transmisor permanece escuchando un tiempo antes de dormir).
• Se considera una excelente opción para la comunicación IoT de largo alcance y bajo consumo.

LoRA

Aplicaciones Típicas

• Agricultura Inteligente:
• Monitoreo de humedad y temperatura del suelo, seguimiento de la salud de los cultivos.
• Ciudades Inteligentes:
• Monitoreo ambiental, gestión de residuos y soluciones de estacionamiento inteligente.
• IoT Industrial:
• Monitoreo de equipos, mantenimiento predictivo y seguimiento de activos.

Fuente: https://www.mokosmart.com/lora-technology/

LoRA

Ventajas

• Escalabilidad:
• Fácil de escalar para gestionar diversos dispositivos en diferentes aplicaciones.
• Bajo Costo:
• Rentable para desplegar redes IoT a gran escala.
• Cobertura Mejorada:
• Mejora la cobertura en entornos desafiantes como áreas urbanas o paisajes rurales.

Otras opciones de conectividad

• SigFox
• es otra tecnología de Red de Área Amplia de Baja Potencia (LPWAN) muy similar a LoRaWAN.
• La diferencia es que Sigfox abre su capa física a fabricantes externos y controla la red para ofrecer el servicio de conectividad, mientras que Semtech mantiene la propiedad de la capa física y permite que terceros desplieguen redes usando el estándar LoRaWAN.
• NB-IoT:
• Narrowband IoT (NB-IoT) es un estándar abierto 3GPP basado en LTE definido en la versión 13 de 3GPP en junio de 2016.
• Permite una implementación flexible y rápida porque es compatible con la infraestructura de red existente mediante el uso de una pequeña porción del espectro disponible en LTE.
• La mayoría de las eNB (estaciones base LTE) pueden ser actualizadas para soportar NB-IoT.
• Mientras que Sigfox y LoRaWAN son operados típicamente por particulares y empresas privadas, NB-IoT debe ser operado y gestionado por un operador de telecomunicaciones con licencia, ya que opera sobre LTE.
• NB-IoT aprovecha las tecnologías modernas de comunicación celular añadiendo una señal de banda estrecha que puede usarse para comunicar dispositivos de baja potencia y baja complejidad.
• Ofrece mayor capacidad del sistema, eficiencia en espectro y menor consumo de energía. Sin embargo, puede limitar las velocidades de transmisión de datos, afectar las actualizaciones por aire y tener soporte global limitado.

Otras opciones de conectividad

• Celular
• LoRAWan y Sigfox proporcionan conectividad WAN en un rango largo pero limitado, solo con sistemas celulares se puede soportar la conectividad global.
• Los sistemas IoT han comenzado a desplegarse desde el inicio de 4G, pero es la introducción de 5G la que realmente convirtió a la red celular en una de las tecnologías de conectividad más importantes para IoT, sin mencionar el potencial que está creando 6G.
• IoT cableado:
• La conectividad cableada sigue siendo una opción confiable cuando la movilidad no es un requisito y existe la infraestructura para soportarla. La conectividad cableada puede soportarse mediante cables de par trenzado (por ejemplo, CAT-5, CAT-6 o CAT-7), fibras ópticas o incluso cables coaxiales.
• De hecho, la conectividad cableada podría ser la opción preferida cuando la fiabilidad y la seguridad son aspectos que deben considerarse seriamente, dado que existe soporte de infraestructura.
• Otras opciones incluyen Z-Wave, Satélite, ANT+

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Protocolos de Comunicación de Datos IoT

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

Introducción

• La conectividad REST a través de Internet se utiliza como la arquitectura de comunicación para los dispositivos IoT.
• Por lo general, los dispositivos IoT tienen recursos limitados y pueden estar sujetos a pérdida de datos o a un alto requerimiento de memoria.
• Se puede usar HTTP.
• Alternativamente, algunos protocolos que son efectivos son
• MQTT,
• CoAP,
• XMPP,
• WebSocket, y
• AMQP.

REST, o REpresentational State Transfer, es un estilo arquitectónico para establecer estándares entre sistemas informáticos en la web, facilitando la comunicación entre ellos.

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

HTTP

• El Protocolo de Transferencia de Hipertexto representa una posible alternativa para soportar servicios de IoT y mantener la compatibilidad con la World Wide Web.
• HTTP está basado en un paradigma cliente-servidor, donde el cliente solicita datos al servidor a través de una conexión TCP.
• Los mensajes HTTP son de texto
• Tanto las cabeceras HTTP como el formato transportado (normalmente texto html o datos binarios convertidos a formato de texto) pueden comprimirse.

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

MQTT

• MQTT (Protocolo de Transporte de Telemetría con Cola de Mensajes) es un estándar ISO abierto (ISO/IEC 20922)
• Ofrece un protocolo de red ligero de publicación-suscripción que transporta mensajes entre dispositivos
• El protocolo suele funcionar sobre TCP/IP
• El protocolo MQTT define dos tipos de entidades en la red: un intermediario de mensajes y varios clientes.
• Un intermediario MQTT (broker) es un servidor que recibe todos los mensajes de los clientes y luego enruta los mensajes a los clientes destinatarios adecuados.
• Un cliente MQTT es cualquier dispositivo que ejecuta una biblioteca MQTT y se conecta a un broker MQTT a través de una red

Ejemplo de MQTT

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

CoAP

• El Protocolo de Aplicación Restringido (CoAP) es un Protocolo de Aplicación de Internet especializado para dispositivos con recursos limitados, como se define en RFC 7252.
• Permite que esos dispositivos con recursos limitados, llamados "nodos", se comuniquen con en Internet utilizando protocolos similares.
• CoAP también se utiliza a través de otros mecanismos, como SMS en redes de comunicación móvil.
• CoAP es un protocolo de capa de servicio que está destinado para su uso en dispositivos de internet con recursos limitados, como nodos de redes de sensores inalámbricos.

• Está diseñado para traducirse fácilmente a HTTP para una integración simplificada con la web, al mismo tiempo que cumple con requisitos especializados, como soporte para multidifusión, muy bajo consumo de recursos y simplicidad.
• CoAP puede ejecutarse en la mayoría de los dispositivos que soportan UDP.

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

WebSocket

• WebSocket es un protocolo de comunicación de la IETF, que proporciona canales de comunicación bidireccionales sobre una sola conexión TCP (RFC 6455).
• WebSocket es distinto de HTTP. Ambos protocolos se encuentran en la capa 7 del modelo OSI y dependen de TCP en la capa 4.
• RFC 6455 indica que WebSocket "está diseñado para funcionar sobre los puertos HTTP 443 y 80, así como para soportar proxies y intermediarios HTTP," por lo que es compatible con el protocolo HTTP.
• Para lograr compatibilidad, el algoritmo de handshake de WebSocket utiliza la cabecera HTTP Upgrade para cambiar del protocolo HTTP al protocolo WebSocket.

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

AMPQ

• El Protocolo de Cola de Mensajes Avanzado (AMQP) es un estándar abierto de capa de aplicación para middleware orientado a mensajes.
• Las características que definen AMQP son la orientación a mensajes, encolado, enrutamiento (incluyendo punto a punto y publicación-suscripción), fiabilidad y seguridad.
• AMQP es un protocolo a nivel de transmisión (wire-level protocol). Un protocolo a nivel de transmisión es una descripción del formato de los datos que se envían a través de la red como un flujo de bytes.

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

Resumen-Comparación

Protocolos de Comunicación de Datos para IoT

Resumen-Comparación

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Desafíos de IoT

Desafíos de IoT

Seguridad

• Los dispositivos IoT suelen operarse con electrónica de bajo consumo y baja capacidad de procesamiento, lo que no permite implementar mecanismos de seguridad de manera eficiente. Dado el aumento significativo en vulnerabilidades de firmware, los dispositivos IoT suelen ser la puerta trasera perfecta para acceder a una red segura.
• Solución: Implementar cifrado, autenticación, controles de acceso y actualizaciones regulares. Utilizar detección de intrusiones y detección de anomalías para la identificación temprana de amenazas de seguridad.

Desafíos de IoT

Escalabilidad

• Muchas aplicaciones y sistemas de IoT contemporáneos incluyen un número muy grande de dispositivos conectados. A medida que estas redes crecen, la gestión y coordinación de dispositivos se vuelven cada vez más desafiantes, ya que en muchos casos el rápido crecimiento de nodos conectados o el aumento en el flujo de datos puede requerir cambios sustanciales en la infraestructura.
• Solución: Una solución podría ser utilizar arquitecturas escalables como la computación en el borde, el procesamiento distribuido y emplear balanceo de carga para el manejo eficiente de numerosos dispositivos.

Desafíos del IoT

Congestión de la red

• Esto también está relacionado con el problema de escalabilidad mencionado anteriormente, ya que el aumento del número de dispositivos conectados podría causar tráfico / congestión en la red, lo que degradará la calidad del servicio debido al aumento en la pérdida de paquetes, los retrasos asociados y otros problemas.
• Solución: Las soluciones posibles incluyen la optimización de los protocolos de comunicación, el uso de compresión de datos y la priorización de datos críticos

Desafíos del IoT

Gestión de dispositivos

• Gestionar numerosos dispositivos IoT se vuelve grande, especialmente si son heterogéneos, y vienen con muchas funciones complicadas, mecanismos de autenticación, requisitos de actualización, etc.
• Solución: Utilizar plataformas de gestión de dispositivos para tareas automatizadas como actualizaciones y monitoreo. Implementar protocolos estandarizados como MQTT y CoAP.

Desafíos del IoT

Interoperabilidad

• Por lo general, en grandes sistemas de IoT, los diversos componentes (sensores, actuadores, microcontroladores, etc.) pueden provenir de diferentes proveedores y, dada la falta de un marco de IoT tan estandarizado, pueden surgir problemas de interoperabilidad. Puede ser necesario realizar ajustes al agregar nuevo hardware y software para mantener la funcionalidad y acomodar tecnologías innovadoras.
• Solución: Una posible solución es adoptar estándares industriales para la comunicación y los formatos de datos. Utilizar soluciones middleware para manejar diferentes protocolos.

Desafíos del IoT

Consumo de energía

• Existen muchas aplicaciones de IoT que están instaladas en lugares remotos o en espacios donde proporcionar energía puede ser muy difícil (por ejemplo, en el fondo del lago para monitorear la contaminación). Esto significa que necesitamos baterías que duren mucho tiempo o limitar el consumo de energía, idealmente ambos.
• Solución: Optimizar los protocolos de comunicación, usar tecnologías de bajo consumo como LPWAN y diseñar hardware energéticamente eficiente o transferir alguna funcionalidad a una unidad central de procesamiento.

Desafíos del IoT

Privacidad de Datos

• Una gran preocupación en los sistemas IoT es qué sucede con los datos recopilados, especialmente si son sensibles (por ejemplo, datos de salud en un sistema de e-salud IoT).
• Solución: Utilizar cifrado, anonimización de datos y políticas de privacidad explícitas en la práctica. Respetar leyes como el RGPD y HIPAA.

Otros desafíos del IoT

Regulación

• Otra característica común de las innovaciones tecnológicas es que la regulación gubernamental a menudo tarda mucho en ponerse al día con el estado actual de la tecnología.
• Con la rápida evolución que ocurre cada día en IoT, los gobiernos tardan en ponerse al día y las empresas a menudo se quedan sin información crucial que necesitan para tomar decisiones.

• La falta de regulaciones solidas para IoT es una de las principales razones por las que IoT sigue siendo un riesgo de seguridad grave, y el problema probablemente empeorará a medida que la superficie de ataque potencial se expanda para incluir dispositivos cada vez más críticos.

Otros desafíos del IoT

Compatibilidad

• Bluetooth ha sido durante mucho tiempo el estándar de compatibilidad para dispositivos IoT.
• En lo que respecta a la automatización del hogar mediante redes mesh, han surgido varios competidores para desafiar las ofertas de redes mesh Bluetooth, incluyendo protocolos como Zigbee y Z-Wave.
• Podrían pasar años antes de que el mercado se estabilice lo suficiente como para nombrar un único estándar universal o una arquitectura unificada para el IoT del hogar.
• La compatibilidad para los dispositivos IoT también depende de que los usuarios mantengan sus dispositivos actualizados y parcheados, lo cual, como acabamos de discutir, puede ser bastante difícil. Cuando los dispositivos IoT que deben comunicarse entre sí ejecutan diferentes versiones de software, pueden surgir todo tipo de problemas de rendimiento y vulnerabilidades de seguridad.

Otros desafíos del IoT

Ancho de banda

• La conectividad es un desafío mayor para IoT de lo que cabría esperar.
• A medida que el tamaño del mercado de IoT crece exponencialmente, aplicaciones de IoT que consumen mucho ancho de banda, como la transmisión de video, pronto tendrán dificultades para encontrar espacio en el modelo actual de servidor-cliente de IoT.
• Sin embargo, las limitaciones también podrían venir del gran número de conexiones (especialmente en el plano de control de red).
• El modelo servidor-cliente usa un servidor centralizado para autenticar y dirigir el tráfico en las redes de IoT. Sin embargo, a medida que más dispositivos comienzan a conectarse a estas redes, a menudo tienen dificultades para soportar la carga.
• Funciones como el cambio inteligente entre operadores de redes móviles (MNOs) son particularmente útiles para crear un producto de IoT más confiable y fácil de usar para tus clientes.

Otros desafíos del IoT

Expectativas de los clientes

• Las empresas que desean ingresar en este sector competitivo e innovador deben estar preparadas para un mercado que nunca se detiene y clientes que siempre quieren una experiencia más fluida y avanzada.
• El sector de IoT es un sector emocionante con mucho potencial para cambiar la forma en que vivimos, trabajamos y jugamos. Pero la industria tecnológica, el gobierno y los consumidores deben ponerse de acuerdo sobre temas de seguridad y rendimiento para garantizar que IoT siga siendo seguro y productivo de usar.

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Aplicaciones de IoT

Aplicaciones de IoT

Aplicaciones de consumo

• Una parte creciente de los dispositivos IoT se crean para uso de los consumidores, incluyendo vehículos conectados, automatización del hogar, tecnología vestible (wearables), salud conectada y electrodomésticos con capacidades de monitoreo remoto.
• Hogar inteligente
• Los dispositivos IoT son parte del concepto más amplio de automatización del hogar, que puede incluir iluminación, calefacción y aire acondicionado, sistemas de medios y seguridad. Los beneficios a largo plazo podrían incluir ahorros de energía al garantizar automáticamente que las luces y los dispositivos electrónicos estén apagados.
• Cuidado de ancianos
• Una aplicación clave de un hogar inteligente es brindar asistencia a personas con discapacidades y ancianos. Estos sistemas domésticos utilizan tecnología asistencial para acomodar discapacidades específicas del propietario.

Aplicaciones de IoT

Aplicaciones Organizacionales

• Medicina y salud
• Internet de las Cosas Médicas (IoMT) es una aplicación de IoT para fines médicos y de salud, recopilación y análisis de datos para investigación, y monitoreo.
• Transporte
• IoT puede ayudar en la integración de comunicaciones, control y procesamiento de información en diversos sistemas de transporte.
• Comunicaciones V2X
• En los sistemas de comunicación vehicular, la comunicación vehículo a todo (V2X), consta de tres componentes principales: vehículo a vehículo (V2V), vehículo a infraestructura (V2I) y vehículo a peatón (V2P). V2X es el primer paso hacia la conducción autónoma e infraestructura vial conectada.
• Automatización de edificios y hogares
• Los dispositivos IoT pueden usarse para monitorear y controlar los sistemas mecánicos, eléctricos y electrónicos utilizados en diversos tipos de edificios (por ejemplo, públicos y privados, industriales, instituciones o residenciales)

Aplicaciones de IoT

Aplicaciones industriales

• También conocido como IIoT, los dispositivos de IoT industrial adquieren y analizan datos de equipos conectados, tecnología operativa (OT), ubicaciones y personas. Combinado con dispositivos de monitoreo de tecnología operativa (OT), IIoT ayuda a regular y monitorear los sistemas industriales.
• Fabricación
• IoT puede realizar la integración sin fisuras de varios dispositivos de fabricación equipados con capacidades de detección, identificación, procesamiento, comunicación, actuación y redes. Basado en un espacio cibernético físico inteligente altamente integrado, abre la puerta a crear nuevas oportunidades de negocio y mercado para la fabricación.
• Agricultura
• Existen numerosas aplicaciones de IoT en la agricultura, como la recopilación de datos sobre temperatura, precipitación, humedad, velocidad del viento, infestación de plagas y estado del suelo. Estos datos pueden usarse para automatizar técnicas agrícolas, tomar decisiones informadas para mejorar la calidad y cantidad de las cosechas, minimizar riesgos y desperdicios, y reducir el esfuerzo requerido para gestionar los cultivos. Por ejemplo, los agricultores ahora pueden monitorear la temperatura y humedad del suelo desde lejos, e incluso aplicar datos adquiridos por IoT en programas de fertilización de precisión.

Aplicaciones de IoT

Aplicaciones de Infraestructura

• El monitoreo y control de operaciones de infraestructuras urbanas y rurales sostenibles, como puentes, vías férreas y parques eólicos en tierra y en alta mar, es una aplicación clave del IoT. La infraestructura de IoT puede usarse para monitorear eventos o cambios en las condiciones estructurales que puedan comprometer la seguridad y aumentar el riesgo. El uso de dispositivos IoT para monitorear y operar infraestructuras probablemente mejorará la gestión de incidentes y la coordinación de respuestas de emergencia, además de la calidad del servicio, el tiempo de actividad y reducirá los costos de operación en todas las áreas relacionadas con infraestructuras.
• Despliegues a escala metropolitana / Ciudad inteligente
• Existen varios despliegues planificados o en curso a gran escala de IoT, para facilitar una mejor gestión de las ciudades y sistemas. Por ejemplo, Songdo, en Corea del Sur, la primera ciudad inteligente completamente equipada y cableada de su tipo, se está construyendo gradualmente, con aproximadamente el 70 por ciento del distrito empresarial completado hasta junio de 2018. Gran parte de la ciudad está planeada para estar cableada y automatizada, con poca o ninguna intervención humana.

Aplicaciones IoT

Aplicaciones de infraestructura

• Gestión de energía

• Un número significativo de dispositivos que consumen energía (por ejemplo, lámparas, electrodomésticos, motores, bombas, etc.) ya integran conectividad a Internet, lo que les permite comunicarse con las compañías eléctricas no solo para equilibrar la generación de energía, sino también para optimizar el consumo energético en general.
• La red inteligente es una aplicación de IoT en el lado de la utilidad; los sistemas recopilan y actúan sobre información relacionada con energía y potencia para mejorar la eficiencia de la producción y distribución de electricidad
• La red eléctrica inteligente (smart grid) es una aplicación de IoT del lado de la compañía de servicios; los sistemas recopilan y actúan sobre información relacionada con la energía y la electricidad para mejorar la eficiencia en la producción y distribución de electricidad.
• Monitoreo ambiental
• Las aplicaciones de monitoreo ambiental del IoT suelen usar sensores para ayudar en la protección del medio ambiente mediante la vigilancia de la calidad del aire o del agua, condiciones atmosféricas o del suelo, e incluso pueden incluir áreas como el monitoreo de movimientos de vida silvestre y sus hábitats.
• Living Lab
• Otro ejemplo de integración del IoT es Living Lab, que integra y combina el proceso de investigación e innovación, estableciéndose dentro de una asociación público-privada-ciudadana.

Aplicaciones de IoT

Aplicaciones militares

• El Internet de las Cosas Militares (IoMT) es la aplicación de tecnologías IoT en el ámbito militar para fines de reconocimiento, vigilancia y otros objetivos relacionados con el combate.
• Está fuertemente influenciado por las perspectivas futuras de la guerra en un entorno urbano e implica el uso de sensores, municiones, vehículos, robots, biometría portátil y otras tecnologías inteligentes relevantes en el campo de batalla.
• Internet de las Cosas en el Campo de Batalla
• El Internet de las Cosas en el Campo de Batalla (IoBT) es un proyecto iniciado y ejecutado por el Laboratorio de Investigación del Ejército de EE. UU. (ARL) que se centra en la ciencia básica relacionada con IoT que mejora las capacidades de los soldados del Ejército.
• Océano de Cosas
• El proyecto Océano de Cosas es un programa liderado por DARPA diseñado para establecer un Internet de las Cosas en grandes áreas oceánicas con el fin de recopilar, monitorear y analizar datos ambientales y de actividad de embarcaciones.

Evaluación

En esta sección, tendrás la oportunidad de poner a prueba tus conocimientos adquiridos a lo largo del curso. Nuestro cuestionario interactivo proporcionará una evaluación detallada de tu comprensión de los temas clave. Prepárate para desafiar tus habilidades y reforzar tu aprendizaje mientras avanzas hacia dominar los conceptos fundamentales. ¡No pierdas la oportunidad de demostrar todo lo que has aprendido hasta ahora!

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