¿Cómo se comunican los dispositivos de IoT ?

Los dispositivos de la Internet de las Cosas (IoT) se comunican de docenas de maneras diferentes, utilizando cientos de protocolos distintos. Esto se debe a que la forma en que se comunican depende de lo que son, de dónde están, de los otros dispositivos y sistemas con los que necesitan hablar y de lo que tienen que decir. No existe un único y mejor protocolo, que es esencialmente el "lenguaje" común utilizado para dirigir los mensajes de un dispositivo IoT a otro. La elección correcta depende siempre de las necesidades específicas de la aplicación.
 
También hay que tener en cuenta las limitaciones. ¿Cuál es el presupuesto de energía del dispositivo? ¿Cuáles son las limitaciones de coste? ¿Cuáles son los requisitos de tamaño físico, seguridad, tiempo de comercialización, regiones geográficas y mantenimiento remoto? En este artículo examinaremos los componentes integrados de un sistema de comunicación IoT y discutiremos cómo las diferentes necesidades y contextos determinan la mejor solución para cada caso de uso.

Componentes para la comunicación de dispositivos IoT

Aunque los sistemas de IoT tienen muchas arquitecturas diferentes, la mayoría incluyen los siguientes componentes:

1. IoT dispositivo, desde el más pequeño sensor de temperatura hasta un gigantesco robot industrial
2. Comunicaciones locales: el método que utiliza el dispositivo para hablar con los dispositivos vecinos
3. Protocolo de aplicación - el marco que define cómo se transporta el contenido de la información
4. Pasarelas: traducen y retransmiten la información, normalmente enlazando las redes de dispositivos locales con Internet
5. Servidores de red: sistemas que gestionan la aceptación y transmisión de los datos de IoT , normalmente ubicados dentro de los centros de datos en la nube
6. Aplicaciones en la nube: procesan los datos de IoT para convertirlos en información útil y presentarlos a los usuarios.
7. Interfaz de usuario: donde los usuarios ven la información de IoT , la manipulan y emiten órdenes a los dispositivos de IoT

IoT Dispositivos

Cuando hablamos de dispositivos IoT , solemos describir cosas como sensores ambientales, electrodomésticos conectados, rastreadores de vehículos o incluso máquinas de la cadena de montaje. Aunque un dispositivo IoT es, posiblemente, cualquier aparato electrónico que pueda comunicarse con Internet, no solemos referirnos a teléfonos móviles u ordenadores de uso general.
 
Normalmente, nos centramos en dispositivos con una finalidad más limitada, como el control de las luces de su casa o el seguimiento de los niveles de los depósitos para la fabricación de productos químicos. Como ejemplo, el siguiente gráfico muestra la conectividad entre un sensor de tanque industrial que utiliza un Módulo de radio Digi XBeecomunicándose con una pasarela que alberga un Sistema Digi ConnectCore® en módulo (SOM).

 

Conexión de dispositivos inalámbricos

Muchos de estos dispositivos no se crearon originalmente con capacidades de Internet y deben modificarse con soluciones posventa para conectarse. Sin embargo, las capacidades de IoT se diseñan cada vez más directamente en los nuevos dispositivos, donde pueden reducir considerablemente los costes y mejorar la funcionalidad.

Aunque los dispositivos IoT varían en función de la necesidad para la que fueron creados, casi siempre incluyen algunos componentes fundamentales. Por ejemplo:

• Suele haber un sensor para detectar sucesos físicos, como el movimiento o una fuga de agua.
• También puede haber actuadores que creen cambios físicos, como encender una luz o cerrar una válvula.
• Estos sensores y actuadores se conectan con uno o más microprocesadores que ejecutan la lógica que impulsa la funcionalidad de IoT .
• Como dispositivo conectado, debe tener al menos un componente de comunicación, ya sea algún tipo de radio o un método de comunicación por cable como Ethernet.
• IoT Los dispositivos suelen funcionar con baterías, lo que hace que la gestión de la energía sea una consideración clave a la hora de seleccionar los equipos, diseñar la funcionalidad y crear estrategias de comunicación.

Todos estos componentes irán alojados en algún tipo de caja, a menudo bastante pequeña. Dependiendo del entorno, esta caja puede tener que ser hermética y estanca, o estar muy ventilada para gestionar el calor. Dado que los dispositivos de IoT suelen instalarse en grandes cantidades, es fundamental que el coste sea el adecuado. Cada céntimo cuenta cuando esos céntimos se multiplican por millones.
 

Métodos y protocolos de comunicación local

Todos los dispositivos de IoT necesitan comunicarse. Algunos dispositivos sólo envían información; muchos otros envían y reciben. Mientras que algunas comunicaciones con dispositivos pares son directas, las comunicaciones remotas a menudo tendrán que pasar por una pasarela para llegar a su destino. Sea cual sea el destino de los mensajes del dispositivo, todo viaje comienza con un primer paso.
 
El siguiente gráfico ilustra un modelo de comunicaciones inalámbricas y cómo cada "nodo" de la red inalámbrica desempeña un papel definido. Como se puede ver en este ejemplo, que se denomina "red en estrella", un módulo inalámbrico inteligente coordina las comunicaciones hacia los dispositivos que actúan como routers y éstos trasladan las comunicaciones a los dispositivos finales.



El escenario cambia para diferentes combinaciones de dispositivos y protocolos inalámbricos. En el siguiente diagrama se puede ver cómo se pueden construir redes que se comporten de diversas maneras con el uso de diferentes protocolos inalámbricos. El mejor protocolo depende de varios factores, como la distancia entre los nodos de comunicación de la red.




El primer paso o "salto" en la comunicación de IoT será por cable o inalámbrico. Las conexiones por cable pueden utilizar un simple protocolo en serie, aunque lo más frecuente es que se emplee un sistema de red como Ethernet, que permite conexiones "directas" del protocolo de Internet (TCP/IP) a un servidor de red o a una aplicación en la nube. Los mensajes que pasan por Internet se enrutan a través de muchos dispositivos diferentes, sin embargo, como arquitectos de IoT , podemos abstraer con seguridad este proceso. Las conexiones por cable son rápidas y fiables, pero a menudo es demasiado caro o poco práctico tender un cableado físico. Naturalmente, para cualquier cosa móvil, los cables están fuera de lugar.
 
Las comunicaciones inalámbricas de IoT se realizan casi siempre por radio, y hay cientos de protocolos de radio entre los que elegir. Algunos son bastante populares. A continuación se ofrece una visión general de algunos de los protocolos de comunicación más populares:

• Algunos dispositivos utilizan Wi-Fi, que tiene muchas ventajas siempre que se puedan cumplir sus requisitos de energía y que sus complejas necesidades de procesamiento y aprovisionamiento no supongan un obstáculo. El Wi-Fi ejecuta TCP/IP de forma nativa, por lo que, una vez configurado, podemos abstraernos de las complejidades de la propia Internet.
• Zigbee y Z-wave son los grandes nombres de las redes de automatización del hogar porque están optimizados para comunicaciones de bajo consumo y bajo ancho de banda, y ambos permiten que los dispositivos del hogar se comuniquen directamente entre sí para mayor velocidad y seguridad. Ninguno de los dos admite directamente el protocolo de Internet, por lo que las comunicaciones fuera del área local suelen enrutarse a través de una pasarela.
• El protocolo LoRaWAN es cada vez más popular también para el bajo ancho de banda IoT . Combina el largo alcance con un ancho de banda muy bajo, soportando kilómetros de alcance en la línea de visión para dispositivos que solo tienen cosas muy pequeñas que decir.
• Bluetooth y su hermana de baja energía BLE son muy populares para los dispositivos sencillos de IoT . Ninguno de los dos puede comunicarse muy lejos, por lo que se utilizará otro dispositivo -a menudo un teléfono móvil- para facilitar la mensajería a larga distancia.
• Las redes celulares pueden ahora acomodar fácilmente los dispositivos de IoT . Los nuevos protocolos celulares, como Cat-M y NB-IoT, permiten que los dispositivos con batería funcionen durante meses sin recargarse, a cambio de un ancho de banda muy limitado.
• Otros protocolos como el 4G LTE y el 5G requieren mucha más potencia, pero también pueden manejar datos más pesados como el vídeo digital.
• También hay muchos protocolos patentados y de un solo fabricante que se adaptan a necesidades de distancia únicas, requisitos especiales de ancho de banda, entornos de radio difíciles y, por supuesto, optimización de costes. No hay un protocolo que los rija a todos. Cada proyecto tendrá su propia solución.

Los marcos de las redes informáticas suelen estar estructurados en capas virtuales. La capa más baja se ocupa de la parte física, los cables o las ondas de radio. A continuación están las capas que coordinan cómo se forman, direccionan, enrutan y confirman los mensajes. Estas capas intermedias son fascinantes pero están fuera del alcance de esta discusión.

 La capa más alta gestiona el contenido útil, que suele denominarse "aplicación", como se muestra en la ilustración de la "Modelo de red OSI.” OSI son las siglas de Interconexión de Sistemas Abiertos, y el modelo es un marco conceptual que describe los componentes o capas de las funciones de una red.

La capa de aplicación es donde se realiza el verdadero trabajo de IoT , y puede ocurrir de muchas maneras diferentes. Disponer de una forma estándar de comunicarse sobre determinadas tareas es increíblemente útil cuando los dispositivos de muchos fabricantes diferentes tienen que cooperar para realizar su trabajo. Algunos protocolos inalámbricos estandarizan la mensajería sobre tareas comunes como el control de la iluminación, la seguridad o la transmisión de audio.
 
Zigbee, Bluetooth y Z-Wave incluyen protocolos de aplicación que proporcionan un lenguaje estándar para que, por ejemplo, un interruptor de luz fabricado por una empresa pueda encender tres lámparas diferentes fabricadas por otras empresas.
 
Otros protocolos de aplicación son más genéricos. MQTT y CoAP son protocolos de aplicación muy ligeros que estandarizan las comunicaciones entre distintos dispositivos sin restringir la mensajería a tareas concretas. Al ser ligeros, consumen muy poco ancho de banda y, por tanto, muy poca energía, lo que los hace ideales para los dispositivos que funcionan con batería.
 
Los dispositivos con más potencia y ancho de banda pueden utilizar comunicaciones RESTful a través de HTTP, el protocolo que está detrás de la web. Este marco ampliamente implementado también es agnóstico en cuanto a tareas, pero como no fue diseñado pensando en una eficiencia extrema, puede agotar rápidamente tanto las baterías como el ancho de banda de un pequeño dispositivo IoT y debe implementarse con precaución.

Puertas de enlace

Cuando un dispositivo no es capaz de ejecutar directamente el Protocolo de Internet (TCP/IP), suele pasar sus mensajes a otro dispositivo llamado pasarela. Esta pasarela procesará y reenviará los mensajes hacia y desde Internet.

Las pasarelas ayudan a que los dispositivos de IoT sigan siendo pequeños, funcionen con pilas y sean baratos, porque suelen gestionar varios dispositivos como una estación base local. Por ejemplo, he aquí algunos escenarios de la vida real:

• Los dispositivos portátiles con Bluetooth/BLE suelen utilizar un teléfono móvil como puerta de entrada a Internet. Esto funciona bien siempre que el teléfono y los dispositivos estén cerca el uno del otro.
• Los protocolos de automatización del hogar como Zigbee, Z-Wave y LoRaWAN no pueden ser manejados por un teléfono móvil directamente, ni tendría sentido ya que los teléfonos móviles no permanecen en una ubicación fija. Estos protocolos, así como los propietarios, suelen utilizar una caja de pasarela conectada a la red eléctrica y a Ethernet, Wi-Fi o celular. Reciben la información de los dispositivos mediante su protocolo nativo, como Zigbee, procesan lo que reciben y lo reenvían a través de Internet.
• Los entornos industriales, como los campos solares y los parques eólicos, requieren una pasarela industrial reforzada para enrutar las comunicaciones de los dispositivos distribuidos en la red de dispositivos remotos, como se muestra en la siguiente ilustración.

 Este proceso de pasarela "multisalto" permite a los dispositivos con capacidades limitadas conectarse con lugares lejanos, a menudo utilizando una secuencia de protocolos diferentes para realizar el trabajo. Las pasarelas suelen utilizar protocolos de aplicación como MQTT, REST o CoAP para conectarse con un servidor de red o una aplicación en la nube que suele estar alojada en algún centro de datos ubicado a distancia.

Servidores de red y aplicaciones en la nube

La mayoría de las comunicaciones de IoT son aceptadas y gestionadas inicialmente por algún tipo de servidor de red. Algunos protocolos lo requieren para completar el trabajo de bajo nivel, como la desduplicación de mensajes redundantes y la conversión de formatos de protocolo especiales. Incluso cuando un protocolo no requiere un procesamiento adicional, resulta infinitamente útil contar con un sistema que no sólo gestione las comunicaciones, sino que pueda configurar, asegurar e informar sobre los propios dispositivos.
 







Digi Remote Manager® es líder en esta función, centrada en ofrecer la mejor experiencia en la nube a los usuarios de los módulos, pasarelas y routers de Digi. Otros servicios como AWS y Azure ofrecen el procesamiento de datos de IoT con alguna gestión de dispositivos más genérica, y estos sistemas pueden colaborar juntos para proporcionar soluciones personalizadas.
 
Una vez que el servidor de red ha hecho su trabajo, los datos suelen intercambiarse con una aplicación en la nube que terminará de convertir los datos de IoT en información útil, los ofrecerá a los usuarios humanos y los almacenará para su posterior análisis. Las aplicaciones en la nube suelen ejecutarse junto a otros servicios de red en plataformas como AWS o Azure. Suelen crearse con lenguajes como Node.js, Python o Java, y estar vinculadas a una base de datos SQL o NoSQL que pueda gestionar la avalancha de datos procedentes de flotas de dispositivos de IoT .
 
Un gran centro de datos no es un requisito para todos los sistemas. Incluso un pequeño ordenador de aficionado como la Raspberry Pi puede hacer la mayor parte de lo que ofrecen los gigantes de la nube, aunque a una escala definitivamente limitada. Una red viva tiene muchos componentes interrelacionados que garantizan que los datos lleguen a donde tienen que llegar, cuando tienen que llegar.

• Los servidores en la nube terminan el proceso de convertir los datos -hechos brutos sobre el mundo- en información útil.
• Los impulsos de los contadores eléctricos se transforman en decisiones sobre la puesta en marcha de centrales eléctricas.
• Las lecturas de temperatura se convierten en predicciones meteorológicas. La información fluye en ambas direcciones, por lo que los servidores en la nube también gestionan los comandos salientes que controlan todo, desde los semáforos hasta los comederos de los gallineros.

Incluso con toda esta tecnología, siempre es necesaria la interacción humana. Por eso, una tarea fundamental de los servidores en nube es ofrecer una interfaz de usuario que permita a los usuarios interactuar.
 

Interfaz de usuario

Las interfaces de usuario son el último paso en la cadena de comunicaciones de IoT . También son el primer paso en la cadena de comandos que fluirán a través del sistema para que uno o más dispositivos IoT los ejecuten. Existen muchos tipos de interfaz de usuario y una solución IoT a menudo admite más de uno.

Los humanos pueden interactuar con el sistema a través de un sitio web, una aplicación móvil para smartphone, una aplicación especial de escritorio o indirectamente a través de una integración API con servicios empresariales como Salesforce. No todas las interacciones se producen a distancia. Algunos dispositivos de IoT están diseñados para permitir el acceso directo y la configuración, ya sea a través de una pantalla táctil integrada o incluso sólo con algunos interruptores. Sea cual sea el método, la interfaz de usuario es el punto de encuentro. Es donde las personas aprovechan todo el valor de sus sistemas IoT y de la información que crean.
 

Ejemplo de interruptor de luz

He aquí un ejemplo sencillo de un sistema domótico que utiliza todos estos componentes. Un propietario quiere controlar la lámpara de su comedor mediante un interruptor local, y también poder encender y apagar las luces a distancia. Selecciona un sistema que incluye un interruptor de pared IoT alimentado por pilas. Se comunica directamente con las lámparas mediante el protocolo inalámbrico Zigbee.
 
Este protocolo incluye un lenguaje especialmente diseñado para la iluminación. Dado que Zigbee es un protocolo de bajo ancho de banda que no utiliza mucha energía, también tiene un alcance limitado. Por lo tanto, para el acceso remoto, el sistema viene con una pequeña pasarela. La pasarela traduce los mensajes Zigbee al protocolo de aplicación MQTT y los pasa a un servidor de red y en la nube que ejecuta la aplicación del sistema de domótica. Esa aplicación en la nube se comunica con una aplicación móvil utilizada por el propietario. Tanto si está en su casa como si está en otro continente, puede ver el estado actual de la luz del comedor y controlarla al instante.



Puede obtener más información sobre Zigbee en el Red Zigbee Mesh página. Zigbee es uno de los muchos protocolos soportados por Digi XBee módulos de radio. Digi produce una línea completa de módulos de radio, kits de desarrollo IoT , pasarelas, routers celulares y gestión remota IoT . Cuando esté listo para diseñar su propio sistema, Digi ofrece Servicios de diseño inalámbrico que pueden ayudarle a tomar las decisiones correctas para garantizar el éxito de las comunicaciones en IoT .
 
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