Los proyectos de Internet de las Cosas (IoT) pueden ser complejos, ya que hay que tomar muchas decisiones. En cualquier proyecto de IoT , hay que adquirir dispositivos de comunicación, como radios y pasarelas, conectar esos dispositivos mediante uno o varios métodos y protocolos de conexión, y asegurarse de que los dispositivos funcionan como es debido. Además, hay que tomar muchas decisiones por el camino, como el diseño de la placa, la colocación de la antena y la interconectividad con otros dispositivos. Una arquitectura IoT es el resultado final de estas decisiones.
Una arquitectura típica de IoT es una combinación de dispositivos inalámbricos, pasarelas inteligentes, routers y computación en la nube. En este blog, nos centraremos en los protocolos inalámbricos y las elecciones de conectividad que debe hacer al definir su estrategia, y tocaremos los componentes físicos en el camino.
Evaluar los requisitos de su arquitectura IoT
La selección de la mejor arquitectura de IoT para su nuevo proyecto implica una evaluación de sus necesidades de conectividad, así como una evaluación de la tecnología disponible y, por supuesto, de los recursos para reunirlo todo. Para muchas de las decisiones que hay que tomar, no hay una respuesta correcta o incorrecta, sino que se trata de evaluar y elegir lo que mejor se adapte a su caso de uso y a las características de diseño del producto requeridas.
Por ejemplo, hay varios protocolos inalámbricos que pueden funcionar para la comunicación entre dispositivos, pero cada uno tiene ventajas específicas y casos de uso ideales. El que mejor funcione para su implantación dependerá de su escenario único. Por eso, es importante que entiendas bien tu proyecto y las opciones disponibles.
En Digi, hacemos muchas preguntas y revisamos una serie de opciones cuando trabajamos con los clientes para ayudarles a identificar sus necesidades de arquitectura en IoT . A continuación se exponen algunas consideraciones importantes, a alto nivel, para ayudarle a organizarse:
- IoT funcionalidad de la arquitectura:
- ¿Su arquitectura IoT necesita recoger datos, como en una red de sensores?
- ¿Es necesario incluir la supervisión y los controles, como en una red SCADA?
- ¿Con qué frecuencia tendrán que enviar datos tus dispositivos?
- ¿Cuál es la distancia entre los dispositivos y las pasarelas?
- ¿Con qué rapidez deben enviarse los datos desde los nodos finales a una pasarela?
- ¿Tiene requisitos estrictos de tiempo que deben cumplirse?
- ¿Cómo se conectarán tus dispositivos de IoT a la nube?
- ¿Es la gestión de la energía una preocupación, por ejemplo, en una red grande o remota que sería costosa o ineficiente si las baterías tienen que ser reemplazadas con frecuencia?
- IoT selección de dispositivos: tiempo de comercialización y "construir vs. comprar" consideraciones:
- Tendrá que seleccionar los dispositivos de IoT , como radios y pasarelas, que soporten la funcionalidad requerida para su proyecto.
- Si el tiempo no es esencial, puede construir su solución desde cero.
- Si el tiempo de comercialización es clave, sería mejor empezar con módulos inalámbricos preconstruidos y precertificados y, potencialmente, contratar servicios de apoyo.
- Gestión de los dispositivos desplegados:
- Determine si necesita un protocolo que admita opciones over-the-air (OTA) para actualizar el firmware en todos sus dispositivos.
- Si no es así, determine si puede permitirse utilizar un protocolo más nuevo que probablemente tendrá actualizaciones de firmware para solucionar problemas o mejorar la funcionalidad.
- Sin actualizaciones de firmware OTA, es importante tener en cuenta el coste de realizar actualizaciones prácticas, una por una, o de enviar "camiones" para actualizar las unidades sobre el terreno.
Todas estas decisiones repercutirán en la planificación general, la implantación y la gestión de su proyecto y, en última instancia, afectarán al coste total de propiedad. Veamos con más detalle algunas de estas consideraciones.
Consideraciones sobre topología y computación de borde
Una pregunta clave que se hacen muchos ingenieros cuando se preparan para diseñar su red IoT es: "¿Qué topología funcionará mejor para mi aplicación?". Algunas de las opciones son los protocolos de red en malla, como Zigbee o DigiMesh, así como punto a punto o punto a multipunto. En algunos casos está claro qué topología tiene más sentido en función de las preguntas formuladas anteriormente. En otros casos, puede ser necesario investigar y probar más.
En las siguientes secciones, veremos algunas de las cosas que hay que tener en cuenta para evaluar cuál es la más adecuada para tus necesidades.
Redes de malla
Los ingenieros de redes suelen tener experiencia con una topología concreta y pueden asumir que puede utilizarse en cualquier entorno, pero a veces otra opción sería más óptima para un caso de uso diferente. Para determinar si una topología de red en malla es una buena opción para su aplicación, es importante entender los pros y los contras de esta estrategia.
Un factor crítico que hay que analizar son los requisitos de sincronización de su sistema. Las topologías de red en malla dirigen los datos de nodo a nodo a través de una red que está diseñada en malla. Así que hay que tener en cuenta los "saltos" debido a la latencia añadida. ¿Necesita que le devuelvan los datos en 100 mS o puede vivir con una vez por segundo?
En última instancia, usted decide, pero tener opciones para diferentes topologías puede marcar la diferencia en el éxito de un despliegue inalámbrico. Su equipo de Digi puede ayudarle a evaluar estas compensaciones.
Características de las redes de malla:
- Las redes de malla tienen la ventaja de soportar un elevado número de nodos en una red, en algunos casos hasta mil, dependiendo de la arquitectura.
- Los datos encuentran inteligentemente su camino de nodo a nodo hasta una pasarela.
- Si un nodo desaparece en una red, ésta volverá a encontrar una nueva ruta para garantizar que los datos lleguen a la pasarela.
- Si se añade un nodo a una red, una vez descubierto, la red puede enrutar los datos a través del nodo añadido.
- Las redes de malla proporcionan redundancia al permitir múltiples rutas desde un nodo o dispositivo a una pasarela y tienen la flexibilidad de ajustarse cuando las condiciones cambian.
- También se pueden establecer subredes para separar los datos de las redes contiguas. Se trata de una función absolutamente genial cuando se tiene una red densa con miles de nodos, como una granja solar o una aplicación de iluminación inteligente, cuando la latencia no es una preocupación.
Las redes de malla están disponibles en estándares, como Zigbee y también en redes peer-to-peer como DigiMesh, y Digi soporta ambos protocolos.
Diferencias clave entre Zigbee y DigiMesh:
- Zigbee suele encontrarse en la frecuencia de 2,4 GHz, mientras que DigiMesh puede funcionar con módulos XBee de 2,4 GHz, así como con módulos XBee de 900 MHz y 868 MHz.
- Zigbee tiene nodos finales, routers y coordinadores que representan los dispositivos finales, los repetidores y las pasarelas.
- DigiMesh es una red de malla entre pares que también ofrece autorreparación, funcionamiento de red densa, prolongación de la vida útil de la batería mediante modos de reposo, y fácil instalación y configuración.
Para comprender las ventajas y desventajas e identificar el protocolo adecuado para su caso de uso, puede comparar los pros y los contras de Zigbee y Dig iMesh en nuestra publicación del blog relacionada. Para conocer más a fondo, consulta el artículo técnico Zigbee vs. DigiMesh.
Punto a punto o punto a multipunto
Los protocolos inalámbricos punto a punto (PTP) y punto a multipunto (PTMP) son topologías utilizadas para la conectividad en una amplia gama de aplicaciones, como los casos de uso en los que se desea sustituir los cables por la comunicación inalámbrica. Estos protocolos comunican entre dos dispositivos (punto a punto) o de un dispositivo a varios (punto a multipunto).
Hay algunos factores a tener en cuenta, como la distancia, la sincronización y la energía de la batería, que pueden indicar si se necesita una red PTP frente a una red de malla.
Estos son algunos aspectos destacados de los protocolos PTP y PTMP:
- Si necesitas un enlace inalámbrico para varios dispositivos que están a uno o dos kilómetros de distancia y tienes una buena línea de visión, PTP podría ser la solución más fácil.
- PTP o PTMP pueden ser eficientes para aplicaciones alimentadas por baterías. Los datos se pueden enviar cuando se necesitan y luego se pueden habilitar los modos de reposo en función de sus necesidades de comunicación. No es inaudito que las baterías duren varios años en aplicaciones del tipo PTP/PTMP.
- En cambio, una red de malla añade latencia y también consume más energía, ya que se necesitaría un router o repetidor alimentado por la red.
Por lo tanto, si tu red es bastante pequeña y el alcance es claro, PTP/PTMP tienen muchas ventajas sobre una red mallada.
Otra consideración de las redes PTP y PTMP es que son muy sencillas y rápidas de configurar. Funcionan bien con protocolos que tienen requisitos de sincronización muy ajustados, como Modbus.
Conectividad directa con móvil, Wi-Fi y Bluetooth
Además de las arquitecturas de IoT de las que hemos hablado, también puedes conectar directamente los dispositivos a la nube a través de Wi-Fi y celular cuando las circunstancias lo requieran. Cada estrategia tiene sus pros y sus contras.
El Wi-Fi es probablemente el protocolo más omnipresente que existe. Sin embargo, es importante tener en cuenta la disponibilidad de Internet en el sitio del cliente, así como sus políticas de seguridad. Obtener el permiso para que sus dispositivos de IoT se conecten a la red Wi-Fi de alguien no siempre es un proceso rápido. Puede requerir una revisión de seguridad adicional y, en algunos casos, simplemente no será posible en función de las políticas corporativas del cliente.
En las aplicaciones residenciales, trabajar con cientos de puntos de acceso inalámbricos diferentes y con distintos niveles de conocimientos de los clientes en materia de Wi-Fi también puede ser un reto.
Consideraciones importantes para las aplicaciones celulares:
- Con la conectividad mediante radios celulares, tienes que asegurarte de que tienes acceso a una red celular, lo que suele estar disponible en la mayoría de los entornos urbanos, pero puede ser un reto en zonas más rurales.
- Tendrá que tener en cuenta las velocidades de datos y asegurarse de que está enviando datos a la nube a las velocidades requeridas por su aplicación. Los protocolos LTE-M y LTE Cat-1 son perfectos para la mayoría de las aplicaciones de IoT que envían datos de los sensores a la nube.
- También hay que tener en cuenta las activaciones, los planes de datos, la gestión de las SIM y la gestión remota de los dispositivos, ya que hay más partes móviles implicadas en el mantenimiento de una conexión celular para los dispositivos de IoT .
Un ejemplo es trabajar con un operador como Verizon o AT&T. Si es una empresa de nueva creación o acaba de iniciar su primer proyecto de telefonía móvil IoT , trabajar directamente con un operador como Verizon o AT&T puede resultar frustrante en ocasiones. Trabajar con un OMV (operador móvil virtual) puede ser más eficiente y ayudarle a poner en marcha su proyecto IoT en el momento oportuno. Digi también ofrece planes, SIM y herramientas de gestión remota(Digi Remote Manager®) para ayudarle a comercializar rápidamente su proyecto.
Otra tendencia de IoT es tener soporte de radio dual en un módulo, como los productos XBee 3 de Digi. Tiene un protocolo inalámbrico principal, como LTE-M, Cat-1, Zigbee o 802.15.4, junto con un enlace Bluetooth incorporado para la configuración y la gestión.
Imagínese que se acerca a un dispositivo que está sobre el terreno y que, en lugar de conectarle cables para configurarlo o solucionar sus problemas, utiliza un enlace Bluetooth con una aplicación en su teléfono móvil. Esto también hace que la puesta en marcha de los dispositivos sea un juego de niños en lugar de tener que cargar con un ordenador y cables para realizar la configuración.
Red de contactos sin cita previa
Las redes inalámbricas pueden establecerse en una variedad de topologías y configuraciones. Por ejemplo, la conexión de sensores o dispositivos remotos a través de un enlace inalámbrico con una pasarela inteligente que tenga opciones de transmisión de datos a través de telefonía móvil, Wi-Fi o Ethernet está probada y tiene éxito. Los datos se recogen del dispositivo o sensor remoto y se envían a través de un enlace inalámbrico a una pasarela inteligente. A continuación, la pasarela envía los datos a la nube para su análisis o control.
Una "red drop-in" es la creación de una red específica para su aplicación. En un entorno SCADA o de telemetría, se introduce una pasarela que tiene capacidad de backhaul, así como la capacidad de conectarse a nodos remotos de RF para enviar datos de ida y vuelta.
En algunas aplicaciones de red sin conexión, un router celular conectado a los dispositivos puede ser todo lo que se necesita. Un ejemplo es un quiosco o terminal de punto de venta en una tienda minorista que utiliza la conectividad celular para procesar las transacciones.
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Otra ventaja de una red de acceso directo es que no tiene que depender de una red existente ni buscar su aprobación para unirse a ella. A menudo, conseguir el permiso para unirse a la red Wi-Fi de un cliente puede llevar más tiempo que diseñar y desplegar su propia red. La creación de una red drop-in le ofrece la flexibilidad de decidir qué topología funciona mejor, entre malla, punto a punto y punto a multipunto, y le da la posibilidad de controlar todos los aspectos de la red.
Las redes de malla con miles de nodos que se comunican frecuentemente con una puerta de enlace son excelentes para aplicaciones como campos solares y alumbrado público. El uso de una radio de 900 MHz de largo alcance en una aplicación PTP o PTMP con una topología de red de conexión directa puede ayudarle a cubrir los dispositivos que están dispersos a grandes distancias, como en un campo petrolífero o en un entorno agrícola.
Los módulos Digi XBee 3 basados en la telefonía móvil también permiten eludir la topología tradicional de pasarela enviando los datos directamente desde el dispositivo a la nube, pero se requiere un plan de datos para cada módem celular Digi XBee® 3 implementado en la solución. Afortunadamente, los costes de los planes de datos han disminuido considerablemente con el tiempo y los operadores están desarrollando planes de datos celulares innovadores, como los planes celulares agrupados o escalonados. Digi puede colaborar con usted para ayudarle a determinar la mejor solución para su aplicación.
Inteligencia de borde
La inteligencia en el borde es una de las últimas tendencias de IoT . Computación de borde ayuda a hacer una solución más eficiente y reduce la latencia cuando se envían datos desde una gran cantidad de dispositivos a la nube. En lugar de enviar todos los datos a la nube para su análisis y actuación, las decisiones y el procesamiento de los datos pueden producirse en el borde. Esto reduce el tráfico a través de la red y proporciona ganancias adicionales en el rendimiento.
La duración de la batería también es un factor crítico con los sensores desplegados a distancia. Cuanto más se transmitan los datos a través de la red, mayor será el consumo de la batería. Por lo tanto, es importante pensar en la frecuencia con la que necesita que sus dispositivos informen y personalizar la conectividad de su módulo para obtener un rendimiento óptimo.
La inteligencia en el borde puede ayudar a los nodos de sensores remotos a saber cuándo enviar datos en función de los cambios condicionales, reduciendo así el costoso consumo de corriente de transmisión y, en el caso de los celulares, las tarifas de datos.
MicroPython en un módulo Digi XBee permite a los ingenieros crear la inteligencia en el borde que permite optimizar la duración de la batería, entre otras cosas. Por ejemplo, si la lectura de un sensor no cambia, el dispositivo de borde no necesita enviar datos y puede conservar la batería permaneciendo en modo de reposo.
La computación de borde también permite que los dispositivos finales tomen decisiones condicionales en lugar de solicitar órdenes a la puerta de enlace, como si un niño pidiera constantemente permiso a sus padres para hacer algo. Para llevar la analogía más allá, si no se quiere que el niño pida permiso para todo, se puede añadir algo de inteligencia al dispositivo para que se encargue de los procesos no críticos.
Pasarelas inteligentes
Los datos fluyen desde los dispositivos hasta una pasarela en muchos tipos de aplicaciones de IoT . Por ejemplo, cuando los datos de los sensores llegan y se transfieren a la nube, las pasarelas inteligentes como Digi XBee Pasarela industrial puede agregar datos, así como actuar sobre datos de sensores específicos, lo que ayuda a optimizar la comunicación con la nube.
Esta inteligencia es especialmente valiosa cuando se trata de un backhaul celular (es decir, planes de datos y costes con un operador). Las pasarelas con lenguajes programables, como Python, ofrecen a los usuarios la posibilidad de añadir cierta inteligencia a la pasarela para gestionar los datos de forma más eficiente. En lugar de limitarse a pasar los datos a través de la pasarela mediante el protocolo de backhaul por defecto, puede optimizar su solución mediante código Python. Hacerlo puede ayudarle a evitar el envío de muchos datos, a disminuir las tarifas de los datos celulares y a actuar con rapidez cuando se establecen umbrales para avisarle de eventos específicos.
Disponer de otras opciones de comunicación backhaul en una pasarela, como Wi-Fi y Ethernet, también es muy útil para las aplicaciones de IoT . Cuando se dispone de una red local, la pasarela puede conectarse para evitar los gastos de telefonía móvil. Sin embargo, cuando sólo se dispone de cobertura celular, tener opciones para diferentes operadores, tanto nacionales como internacionales, puede facilitar la vida cuando se necesitan despliegues en todo el mundo. Las herramientas de gestión de las pasarelas desplegadas para el diagnóstico y la resolución de problemas, así como las capacidades de actualización remota del firmware son imprescindibles para las aplicaciones de IoT .
IoT Seguridad
La seguridad es otro aspecto de su solución IoT que debe considerar al evaluar los componentes de su arquitectura IoT . Aunque el cifrado de paquetes es la base de la mayoría de los sistemas de seguridad integrados, ¿ha pensado en el arranque seguro, la protección de los puertos de hardware, la autenticación y las conexiones seguras?
Todo diseñador de IoT debe considerar las medidas de seguridad disponibles con el hardware y el software de su dispositivo IoT , y evaluar las técnicas de seguridad al principio del proyecto IoT para mitigar los riesgos y garantizar el éxito. Por ejemplo, los módulos de Digi XBee utilizan sesiones seg uras e integran el marco de seguridad Digi Trustfence®.
Recursos para la creación de prototipos, pruebas y desarrollo
Aunque hay mucho que tener en cuenta a la hora de planificar su arquitectura en IoT , afortunadamente existen recursos que le ayudarán.
Kits de desarrollo para la creación de prototipos y pruebas
IoT kits de desarrollo puede ser clave para probar la funcionalidad. Normalmente, los kits de desarrollo son de bajo coste y contienen todo el hardware necesario para analizar diferentes tipos de redes inalámbricas. No es raro que se realicen pruebas con varios kits de desarrollo diferentes para determinar cuál es el que mejor funciona para su aplicación. La otra gran ventaja de los kits de desarrollo es que puedes encontrarlos fácilmente en distribuidores como Digi-Key o Mouser y puedes estar literalmente haciendo pruebas en el laboratorio un día después de pedirlos.
IoT facilitan a estudiantes, fabricantes e ingenieros la creación de prototipos de soluciones inalámbricas en IoT de forma rápida y asequible.
IoT Herramientas de desarrollo
Para los desarrolladores que diseñan aplicaciones con módulos de Digi XBee , Digi ofrece un conjunto de herramientas galardonadas: Digi XBee Herramientas. La suite incluye hardware y software diseñados para ayudar a los equipos a desarrollar, construir, desplegar y gestionar rápidamente las aplicaciones de IoT .
Digi también ofrece tutoriales y vídeos para ayudar a los desarrolladores a crear prototipos y probar sus diseños. Consulte nuestra publicación en el blog, Digi XBee Tutoriales y recursos para el desarrollo de aplicaciones inalámbricasque ofrece un directorio de estos recursos.
Servicios de apoyo para la creación de prototipos y el desarrollo de productos
Utilizar servicios especializados en la creación de prototipos, pruebas y otros aspectos de los proyectos de IoT puede acelerar rápidamente su proyecto en la fase de diseño, e incluso en la de desarrollo. Por ejemplo, Digi Wireless Design Services ofrece una amplia gama de apoyo a los proyectos de IoT , desde la ideación hasta el desarrollo completo y los servicios de certificación.
Aunque hay muchas cosas que se pueden hacer por cuenta propia, hacer un estudio del lugar en el que se piensa desplegar puede ayudar a evitar problemas que no se habían previsto en el laboratorio. La mayoría de las aplicaciones del mundo real no se encuentran en las condiciones de RF más ideales. Obstáculos como edificios, paredes, árboles y otras estructuras pueden desviar fácilmente una red inalámbrica. Un estudio del emplazamiento puede ayudarle a determinar qué antenas serían las mejores (o si necesita una antena a medida), cómo es el nivel de ruido (o las posibles fuentes de interferencia de RF) y si hay algún problema que no haya previsto al desarrollar su solución.
Combine un estudio del emplazamiento con la formación de los técnicos que vayan a realizar las instalaciones y se adelantará a los acontecimientos.
Otras consideraciones sobre la arquitectura de IoT
Hay otros aspectos de la parte inalámbrica de tu solución IoT que también hay que tener en cuenta. Algunos de ellos pueden parecer triviales al principio, pero si no se tienen en cuenta durante las fases de planificación de tu proyecto IoT , puede que sea necesario girar la placa o dedicar más tiempo a las actualizaciones del firmware.
He aquí algunas de esas consideraciones:
- ¿Necesitas un servicio GPS/GNSS para los dispositivos que vas a monitorizar? ¿Y puede el GPS estar con el módem celular que ha elegido o es mejor tener un módem GPS separado en su placa? (Vea nuestra entrada del blog, Geo IoT: Agregue rápida y fácilmente servicios de localización GPS a su aplicación IoT ).
- ¿Quiere desplegar su solución en una región, como Norteamérica, o la utilizará en todo el mundo? Esto tiene implicaciones para las referencias de producto necesarias en su selección de dispositivos de IoT , así como para las certificaciones requeridas y los costes asociados. (Consulte nuestra publicación del blog, Going Global with Your Cellular Deployment).
- Una vez que los dispositivos se despliegan en el campo, ¿cuál es su plan para gestionar las actualizaciones de firmware, el diagnóstico remoto o la resolución de problemas? (Véase nuestra publicación en el blog, ¿Qué es la gestión de dispositivos IoT ?)
- ¿Su solución estará expuesta a temperaturas altas o bajas? Si es así, ¿qué partes de su solución limitarán el funcionamiento en función de las temperaturas?
Trabajar con el socio y la solución adecuados puede ayudarle a garantizar el éxito de su solución y un rápido retorno de la inversión. Digi es un proveedor integral de soluciones de IoT que ofrece hardware, software, herramientas, soluciones de seguridad y servicios integrados para la creación de prototipos, el desarrollo y la implantación.
Resumen
El éxito de la implantación de IoT puede requerir una buena cantidad de investigación, planificación, pruebas y, a menudo, algo de consultoría y subcontratación. Tómese su tiempo para sopesar las opciones y no tenga miedo de probar algunos kits de desarrollo antes de comprometerse con una arquitectura de IoT . Tomarse el tiempo necesario para estudiar y comprender las alternativas al principio de su proyecto puede ahorrarle tiempo, dinero y dolores de cabeza.
Digi puede colaborar con usted para identificar los protocolos, el hardware de RF, el software y los servicios profesionales adecuados. Póngase en contacto con nosotros para iniciar la conversación.