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Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
Daniela Díaz Molina danidm25@hotmail.es
Trabajo de Grado presentado para optar al título de Ingeniero Electrónico
Asesor: Daniel Felipe Valencia Vargas, Magíster (MSc)
Universidad de San Buenaventura Colombia
Facultad de Ingeniería
Ingeniería Electrónica
Santiago de Cali, Colombia
2019
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
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Citar/How to cite [1]
Referencia/Reference
Estilo/Style:
IEEE. (2014)
[1] Diaz Molina, D & Valencia Vargas, DF. (2019). “Implementación de las
prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas” (Trabajo de grado
Ingeniería Electrónica). Universidad de San Buenaventura Colombia, Facultad
de Ingeniería, Cali.
Grupo de Investigación (LEA).
Línea de investigación en sistemas embebidos
Bibliotecas Universidad de San Buenaventura
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Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
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DEDICATORIA
A mis familiares.
Como mi Padre Hernán Diaz y a todos aquellos que participaron directa o indirectamente
en la elaboración de este trabajo de grado.
A mis maestros.
Ing. Daniel Felipe Valencia Vargas por su gran apoyo y motivación para la culminación de
mis estudios profesionales y para la elaboración de este trabajo de grado; a todos los que de
alguna forma influyeron durante la transición de mi carrera profesional, aprecio sus
conocimientos.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
14
RESUMEN
El término IoT se refiere a la interacción y comunicación entre miles de millones de
dispositivos que producen e intercambian datos relacionados con objetos (es decir, cosas)
del mundo real [1]. Es necesario incluir IoT en la ingeniería de pregrado siguiendo la
tendencia mundial para la educación basada en proyectos. En este documento, se presentan
los detalles de un ejercicio pedagógico para fomentar la creación de dispositivos IoT. La
estrategia consiste en talleres con un enfoque basado en proyectos, los cuales comienzan
abordando los desafíos, y el diseño de experimentos de laboratorio con los recursos
disponibles. También se incluye la retroalimentación de los estudiantes sobre la experiencia
de aprendizaje con resultados del 100% en el ámbito de interés en los laboratorios.
Palabras clave: Internet de las Cosas, IdC, IoT, conectividad, objetos conectados
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
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ABSTRACT
The term IoT refers to the interaction and communication among billions of devices that
produce and exchange data related to objects (ie, things) in the real world [1]. It is necessary
to include IoT in undergraduate engineering following the global trend for project-based
education. In this document, we present the details of a pedagogical exercise to encourage
the creation of IoT devices. The strategy consists of workshops with a project-based
approach, which begin by addressing the challenges, and the design of laboratory
experiments with available resources. It also includes feedback from students about the
learning experience with 100% results in the field of interest in the laboratories.
Keywords: Internet of Things, IdC, IoT, connectivity, connected objects
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
16
TABLA DE CONTENIDO
PÁG.
I. INTRODUCCION ................................................................................................. 11
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA .............................................................. 13
III. JUSTIFICACIÓN .................................................................................................. 15
IV. OBJETIVOS .......................................................................................................... 17
A. Objetivo general ................................................................................................ 17
B. Objetivos específicos ........................................................................................ 17
V. MARCO TEÓRICO .............................................................................................. 18
A. Internet de las Cosas ......................................................................................... 18
B. Modelo IoT ....................................................................................................... 19
C. Conexión a la red .............................................................................................. 21
D. Almacenamiento en la nube .............................................................................. 22
E. Protocolos de comunicación .............................................................................. 26
F. Protocolos de red .............................................................................................. 30
G. Topologías de red .............................................................................................. 33
1. Punto a Punto – P2P .......................................................................................... 33
2. Multipuntos ....................................................................................................... 34
H. Entorno inteligente ............................................................................................ 37
VI. METODOLOGÍA .................................................................................................. 40
VII. PRUEBAS Y ANÁLISIS DE LOS RESULTADOS ............................................. 56
VIII. CONCLUSIONES .......................................................................................... 70
IX. RECOMENDACIONES ........................................................................................ 73
X. REFERENCIAS ..................................................................................................... 74
XI. ANEXOS ................................................................................................................ 77
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
17
A. Anexo 1. PRÁCTICA Nº 1 ¿Qué genera datos? ¿Cómo? ................................... 77
B. Anexo 2. PRÁCTICA Nº 2¿Cómo conectar sensores a la red? ........................... 87
C. Anexo 3. PRÁCTICA Nº 3 ¿Cómo almaceno datos IoT y en dónde? ................. 92
D. Anexo 4. PRÁCTICA Nº 4¿Cómo visualizo los datos IoT? ............................... 97
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
18
LISTA DE FIGURAS
PÁG.
Fig. 1 Cuando las cosas se vuelven inteligentes ............................................................... 19
Fig. 2 Modelo IoT. ......................................................................................................... 20
Fig. 3. Recuento Fitbit ..................................................................................................... 24
Fig. 4 Ejemplo del tipo de gráficos, análisis y visualización con ThingSpeak son estas
mediciones de temperatura .............................................................................................. 25
Fig. 5 Estadísticas de recurrencia en el uso de protocolos de comunicación en proyectos de
IoT .................................................................................................................................. 30
Fig. 6 Topología en estrella ............................................................................................. 34
Fig. 7 Topología en malla ................................................................................................ 35
Fig. 8 Topología en anillo ............................................................................................... 36
Fig. 9 Topología lineal (Bus) ........................................................................................... 36
Fig. 10 Topología mixta .................................................................................................. 37
Fig. 11 Proceso sistemático de revisión de la literatura.[53] ............................................. 41
Fig. 12 Tabla de recopilación del estado del arte ............................................................. 43
Fig. 13 Estadísticas de recurrencia en el uso de sensores en proyectos de IoT .................. 44
Fig. 14 Estadísticas de recurrencia en el uso de placas en proyectos de IoT ..................... 44
Fig. 15 Estadísticas de recurrencia en el uso de plataformas en proyectos de IoT ............. 45
Fig. 16 Estadísticas de recurrencia en el uso de protocolos de red en proyectos de IoT .... 45
Fig. 17 . Esquema general de los proyectos de las guías de laboratorio propuestos. ......... 48
Fig. 18 . Esquema electrónico de la primera parte de la guía 1. ........................................ 50
Fig. 19 Esquema electrónico de la segunda parte de la guía 1. ......................................... 50
Fig. 20 Esquema electrónico de la guía 3. ....................................................................... 53
Fig. 21 Esquema electrónico de la guía 4. ........................................................................ 54
Fig. 22 Esquema de ensamble del circuito de la primera parte de la guía 1 ...................... 56
Fig. 23 Esquema de ensamble del circuito de la segunda parte de la guía 1. ..................... 57
Fig. 24 resuldados primera parte guia 1 ........................................................................... 57
Fig. 25 resuldados segunda parte guia 1 .......................................................................... 58
Fig. 26 Esquema de red cableada de la primera parte de la guía 2 .................................... 58
Fig. 27 Esquema de red inalámbrica de la segunda parte de la guía 2 ............................... 59
Fig. 28 Visualización de los dispositivos IoT en la red de la guía 2 ................................. 59
Fig. 29 Esquema de ensamble del circuito de la guía 3 .................................................... 60
Fig. 30 Visualización de los datos de la guía 3. ................................................................ 60
Fig. 31 Esquema sensor de pulso y temperatura con transmisión wifi. 1. Sensor de pulso.
2.Sensor de temperatura LM35. 3.Arduino Uno. 4. ESP8266 módulo de wifi. 5. Pulsador.
....................................................................................................................................... 61
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Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
19
Fig. 32 Visualizarán los datos de la guía 3 archivo Excel. ................................................ 62
Fig. 33 Visualizarán los datos de la guía 3 en ThingSpeak. .............................................. 62
Fig. 34 puesta en práctica de guías de IoT ........................................................................ 63
Fig. 35 Montaje para el uso del sensor de proximidad. ..................................................... 66
Fig. 36 Resultados del programa cuando el sensor de proximidad detecta algo ................ 66
Fig. 37 Pantalla de control donde se muestra el funcionamiento de los dispositivos
conectados, teniendo la luz apagada, la puerta asegurada y la ventana cerrada ................. 67
Fig. 38 Código de transmisión de datos en Arduino con la ayuda de un módulo wifi........ 67
Fig. 39 Visualización del campo uno, que recibo los datos del pulso ................................ 68
Fig. 40 Circuito para el monitoreo de Salud, con un sensor de temperatura, uno de pulso y
un botón de panico .......................................................................................................... 68
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LISTA DE TABLAS
PÁG.
TABLA1. Diferencias que existe entre Internet e Intranet ............................................... 22
TABLA 2 Comparación de las Tecnologías BC, BLE, Wi-Fi y Zigbee. [23] ................... 29
TABLA 3 Comparación entre los protocolos de red. [23] ................................................ 32
TABLA 4 Dominios de aplicación de entorno inteligente.[28] ........................................ 39
TABLA 5 Restricciones del proyecto .............................................................................. 46
TABLA 6 Precios y disponibilidad de componentes de proyectos IoT ............................. 46
TABLA 7 Precios y disponibilidad de plataformas de proyectos IoT ............................... 47
TABLA 8 Nivel del modelo IoT en las guías de laboratorio ............................................ 64
TABLA 9 Herramientas usadas en el proyecto ................................................................ 64
TABLA 10 Resultados de las 9 repuestas de los estudiantes a la encuesta sobre los
laboratorios de iot. Los datos dan número/porcentaje de respuesta para cada opción........ 65
11
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
I. INTRODUCCION
El presente trabajo se refiere al tema del IoT (internet de las cosas), que se puede definir
como un sistema de dispositivos de computación que se relacionan entre sí. Por ejemplo, un
dispositivo de computo IoT (con identificador único) conectado a una maquina mecánica, a
un animal o a una persona permitirá el intercambio de datos sin requerir de una intervención
humana. Este proceso de automatización en la generación, procesamiento y análisis de datos
(generados por los dispositivos de computo IoT) es lo que comúnmente se conoce como
Internet de las Cosas.
En el año 2009, Kevin Ashton comenzó a difundir la frase “Internet de las Cosas”. Kevin en
su artículo señala que toda la información (introducida por diversos medios) que manejan
las computadoras, incluida la Internet, dependen casi completamente de los seres humanos.
Pero las computadoras procesan y almacenan la información sin las limitaciones que los
seres humanos tienen tanto en tiempo, exactitud y en la atención para capturar otros tipos de
datos del mundo real. Además, reflexionaba sobre la necesidad de computadoras que sean
capaces de ver, oír e incluso oler el mundo por ellas mismas ya que el mundo a nuestro
alrededor y el ser humano en sí mismo interactúa con variables físicas. [2] Según el IBSG,
Internet Business Solutions Group, de Cisco el Internet de las Cosas es “sencillamente el
punto en el tiempo en el que se conectaron a Internet más cosas u objetos que personas” [3].
El mundo está sufriendo una transformación donde las “cosas” hablan con otras “cosas” y
estas conversaciones están creando nuevos modelos de negocio, productos y compañías.
Hace 20 años, Internet se usaba principalmente como herramienta para buscar información.
El número de cosas conectadas a internet sobrepasó en 2008 el número de habitantes del
planeta. Se estima que habrá 500 mil millones de dispositivos conectados a Internet para
2030 según un estudio de CISCO. Cada vez es mayor la cantidad y la variedad de
dispositivos que pueden conectarse a internet. Contamos con teléfonos, electrodomésticos,
automóviles, con acceso a las redes, ya no somos sólo las personas, sino también estos
objetos o cosas cotidianas de nuestro entorno quienes se conectan a la red para aprovechar
sus beneficios. El Internet de las Cosas permitirá que podamos integrar objetos inteligentes
de todo tipo y función, redes de sensores, y recursos de la Internet actual con las personas
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
12
con el fin de compartir información que sea útil para aumentar nuestro conocimiento y tomar
decisiones que mejoren nuestra calidad de vida en cualquier aspecto posible: social,
económico, cultural, ambiental, etc.
En los últimos 10 años hemos vivido una nueva forma de uso de Internet, donde todo se ha
convertido en social, transaccional y móvil, lo cual requiere de la incursión en nuevas áreas
del conocimiento trasversales en las que se mezclan conceptos no solo de instrumentación
electrónica sino también de computación.
IoT es una tecnología disruptiva impactará los modelos de negocio de manera global, por
ejemplo, se espera que los próximos 5 años la implementación de tecnología basada en IoT
genere alrededor de 10 billones de euros, mejorando la productividad y permitiendo a las
empresas entrar en nuevos mercados. El uso potencial que podamos darle a Internet
evoluciona con el tiempo: el comercio electrónico, las redes sociales, los servicios
multimedia por internet son ejemplos de cómo fue creciendo la red y de cómo las empresas
han creados nuevos servicios y productos basados en los datos que se generan gracias al IoT.
El Internet de las Cosas puede aplicarse a varios ámbitos pues la cantidad de usos que pueda
darse a los productos y servicios depende de la creatividad e ingenio de los desarrolladores.
El acceso a dispositivos electrónicos para prototipado rápido, por ejemplo, kits de desarrollo
Arduino, hace factible la implementación de proyectos de IoT en distintas áreas del
conocimiento. A pesar de los costos implícitos en el desarrollo de un proyecto, que implica
la implementación de electrónica, el crecimiento de los productos y servicios basados en
IoT es evidente. Por esto, es necesario tener personas que entiendan y manejen el modelo
del internet de las cosas de manera funcional. Una forma adecuada de realizar estas
capacitaciones, instruir y fomentar la creatividad e ingenio de los desarrolladores
(interesados en crear productos y servicios basados en IoT) es mediante la implementación
de ejercicios prácticos como lo son los laboratorios.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
13
II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Un sensor es cualquier dispositivo que detecta o mide una magnitud física y entrega una
valoración de la misma, normalmente en forma de un valor digital, es decir, un valor
utilizable en el “ciberespacio”. Es decir, un sensor es el elemento hardware que
interactúa entre la tecnología y el entorno, capturando los datos que se deseen.
Entonces, los sensores constituyen el elemento indispensable para trasladar el mundo
físico al mundo digital, el mayor desafío con los sensores es hacer un uso efectivo de
los datos. Los sensores toman los datos obtenidos y los almacenan en un pequeño
computador, pero éste no es lo suficientemente potente como para poder procesarlos de
forma rápida. ¿Qué hacer? Mover esa información a otro computador a través de algún
canal de comunicación, existen diversos protocolos de comunicación y topologías que
pueden llegar a ser usados para la conexión con otros computadores. Para que sea
utilizable, los datos deben de ser claros, de modo que los usuarios habituales puedan
construir sus propios cuadros de mando y análisis sin la ayuda de programadores o
científicos de datos. La visualización de datos (que convierte millones o miles de
millones de datos en algo que un simple humano puede interpretar y del cual puede
obtener información) es una tarea central para el análisis de datos.
Todos estos pasos han de ser llevados a cabo para que el dispositivo IoT funcione de
optima manera, como por ejemplo un termostato inteligente en una casa, incluye un
sensor que mide la temperatura de la habitación y entrega un valor en grados centígrados
que podrá ser mostrado en una pantalla, enviado a la nube, o recibido en el Smartphone
(teléfono inteligente) del dueño.
En la Universidad de San Buenaventura tenemos trabajos relacionados con Internet de
las cosas (Internet of Things, IoT), la facultad de ingenierías, lleva adentrándose en el
internet de la cosas con numerosos proyectos e investigaciones como por ejemplo el
dispositivo electrónico para la trazabilidad del ganado, el electrocardiógrafo portátil
inalámbrico para sala de cirugía, el sistema automático para el monitoreo y control del
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
14
suministro de combustible para maquinaria agrícola de Pizarro Jiménez1 , entre otras,
que están cada vez más relacionados con la automatización e interacción de los objetos
comunes que día a día tenemos la necesidad de usar, pero no hemos desarrollado algún
componente específico sobre esta temática, por lo que surge la propuesta del desarrollo
de prácticas de laboratorio que agrupen conceptos de IoT tales como la conexión a la
red, el almacenamiento en la nube, los protocolos de comunicación y de red, y las
topologías de red. Por esto es necesario hacerse la pregunta ¿Como dotar de
herramientas complementarias y extracurriculares a los futuros profesionales en
ingeniería electrónica para conectar sensores a una red (internet de las cosas) a
visualizar los registros de los sensores?
1 Pizarro Jiménez LTDA. Construcción de carreteras y vías de ferrocarril,
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
15
III. JUSTIFICACIÓN
En la actualidad, los profesionales de cualquier área del conocimiento deben reconocer la
necesidad de mantenerse actualizados continuamente [4]-[5], debido a que estos deben de
adaptarse a nuevos retos tecnológicos contemporáneos. Estos retos tecnológicos nacen de
las necesidades de la sociedad, por lo tanto, la Universidad de San Buenaventura se
encuentra en la responsabilidad de ofrecer a sus estudiantes dentro su currículo un programa
de estudio que permita profundizar y enfatizar el conocimiento en áreas y campos de
vanguardia que den respuesta a estas necesidades y que mejore sus oportunidades de
empleabilidad.
El internet de las cosas (IdC) o más conocido en sus siglas en el inglés (IoT) es un concepto
que se refiere a la interconexión digital de objetos de uso cotidiano a internet, haciendo la
conversión en “inteligentes”, de esta manera son más eficientes y con características
agregadas que de otra manera no tendrían, esta es un gran área que se encuentra en su apogeo
y adentrarse en su desarrollo y estudio seria ampliamente beneficioso para un ingeniero
electrónico pues representa el futuro del área y del mundo entero.
Según estudios a nivel mundial, de Zebra technologies, una empresa de computadores,
tecnología de códigos de barras y software para negocios, solo el 5% de las compañías son
consideradas “inteligentes” lo que representa una gran falencia en el campo industrial. El
hecho de llamarlas inteligentes, se ve en la medida de aprovechar los lazos entre el mundo
físico y el mundo digital, para mejorar la visibilidad y movilizar ideas que crean mejores
experiencias para los clientes, además al ser inteligentes se genera eficiencia de manera
operativa en la compañía y se puede llegar a nuevos modelos de negocios.
De acuerdo con CISCO, para 2020 habrá más de 50 mil millones de dispositivos conectados
a internet, teniendo un gran crecimiento. Las conexiones M2M (Máquina-a-Máquina) se
multiplicarán casi por tres desde los 4.900 millones registrados en 2015 hasta los 12.200
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
16
millones en 2020, suponiendo casi la mitad de todos los dispositivos conectados (46 por
ciento). El segmento de salud conectada tendrá el crecimiento más rápido de conexiones
M2M, multiplicándose por cinco entre 2015 (144 millones) y 2020 (729 millones), mientras
el segmento de hogar conectado acaparará casi la mitad (5.800 millones) de todas las
conexiones M2M durante el período analizado. En 2020 habrá más de 200 millones de
hogares inteligentes a escala global, desde los 90 millones contabilizados en 2015, por lo
que el crecimiento que se generará será exponencial abarcando numerosos sectores.
Por su parte, la consultora IDC estima que en los próximos cinco años más del 90% de datos
IoT se guardarán en plataformas de proveedores de servicios en la nube lo que generará un
gran banco de datos para tratamiento de información y comunicación con el cliente
favoreciendo numerosos sectores de la economía, pues se dispondrá de datos varios en
cualquier momento.
La visión de IoT es fuerte e incrementará la inversión por la necesidad de avanzar, el 42%
predice que su inversión en IoT aumente entre un 11% y un 20% en los próximos años, más
del 50% de las empresas sabe que se encontrará con obstáculos para adoptar su solución
IoT. Pero solo el 21% tiene un plan estratégico para superar esas limitaciones, aquí es donde
se genera un crecimiento en la demanda de profesionales capacitados.
De acuerdo al Ministerio de Tecnologías de la Información y las Comunicaciones (MinTIC)
“9.270 colombianos se encuentran estudiando carreras técnicas, tecnológicas y
universitarias relacionadas con tecnologías de información”, existen 10 posibles
especializaciones que permiten capacitar profesionales para suplir la demanda pero ninguna
de ellas, llega a ser puntual en el tema del IoT, si en el área de posgrados es tan escasa la
oferta, por parte de los programas de pregrado es básicamente nula, no se proporciona cursos
específicos en este tema, se maneja la temática pero no se profundiza.
Se hace notar el hecho que el tema de IoT es transversal en el área ingenieril, dado que son
aplicables en diferentes especialidades como por ejemplo en ingeniería agroindustrial con
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
17
el fenotipado2 , en ingeniería industrial con la que ellos llaman la nueva revolución
industrial: la industria 4.0, en ingeniería en sistemas con el Big Data y el gran manejo de
información que arrojan los dispositivos, cada área tiene su uso para esta nueva temática;
pero llega el momento y la posibilidad de crecer en el campo y ahondar en los conceptos
para así poder tener un dominio adecuado del tema y un bagaje referente al campo de acción,
dado que es el futuro de la tecnología es apropiado contar con una profundización en el
manejo y conceptos que le implican.
[6]
IV. OBJETIVOS
A. Objetivo general
• Implementar las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas.
B. Objetivos específicos
• Investigar prácticas sobre el internet de las cosas preexistentes.
• Seleccionar los módulos y tecnologías del internet de las cosas existentes en el laboratorio
que puedan ser aplicadas a un laboratorio sobre este tema.
• Diseñar las guías de las prácticas.
• Implementar las prácticas y probarlas con estudiantes para tener una realimentación de las
mismas.
•Documentar el trabajo final mediante un informe escrito.
2 Fenotipado: son las características que “vemos” de las plantas y resulta de la interacción de la información
genética (genotipo) y el ambiente donde estas se desarrollan.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
18
V. MARCO TEÓRICO
En esta sesión se presentan los conceptos básicos de Internet de las Cosas. Inicialmente, se
define el término y el alcance de lo que se define como IoT. Luego, se exponen términos
relacionados con el tamaño de las redes sobre las cuales se comunican las cosas, se
mencionan plataformas para el manejo de los datos que arrijan estas cosas, se habla de los
protocolos y las topologías existentes para la creación de redes con cosas inteligentes.
A. Internet de las Cosas
Podríamos definir el Internet de las cosas como la consolidación a través de la red de redes
de una "red" que tuviera una gran multitud de objetos o dispositivos, es decir, poder tener
conectada a esta todas las cosas de este mundo como podrían ser vehículos,
electrodomésticos, dispositivos mecánicos, o simplemente objetos tales como calzado,
muebles, maletas, dispositivos de medición, biosensores, o cualquier objeto que nos
podamos imaginar.
Principalmente este concepto proviene en base a un trabajo de ciencia y tecnología avanzada
que se publicó en 1999, Cuando las cosas empiecen a pensar, del investigador Neil
Gershenfeld, del MIT. Escribió “Además de intentar que los ordenadores estén en todas
partes, deberíamos intentar que no estorbaran”.
El Internet de las Cosas (IoT) consiste en que las cosas tengan conexión a Internet en
cualquier momento y lugar. En un sentido más técnico, consiste en la integración de sensores
y dispositivos en objetos cotidianos que quedan conectados a Internet a través de redes fijas
e inalámbricas. El hecho de que Internet esté presente al mismo tiempo en todas partes
permite que la adopción masiva de esta tecnología sea más factible. Dado su tamaño y coste,
los sensores son fácilmente integrables en hogares, entornos de trabajo y lugares públicos.
De esta manera, cualquier objeto es susceptible de ser conectado y «manifestarse» en la Red.
Además, el IoT implica que todo objeto puede ser una fuente de datos. Esto está empezando
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
19
a transformar la forma de hacer negocios, la organización del sector público y el día a día
de millones de personas.[7]
Cualquier objeto es susceptible de ser conectado y «manifestarse» en la Red. Las etiquetas
RFID(radio frequency identification, en español, «identificación por radiofrecuencia») son
pequeños dispositivos, similares a una pegatina, que pueden ser adheridos a un producto,
persona o animal para almacenar información relevante y dinámica. Mediante
radiofrecuencia, la información viaja a un ordenador o dispositivo móvil con acceso a
Internet. Dicha información puede ser recibida por un usuario para su interpretación.
También existe la posibilidad de que el extremo final sea otra máquina que interprete los
datos y actúe según parámetros preestablecidos (véase la Fig.1)
Fig. 1 Cuando las cosas se vuelven inteligentes
B. Modelo IoT
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
20
El IoT posee una arquitectura de capas que representa todo lo necesario para un manejo
adecuado del mismo, el análisis de datos es característico de los últimos dos niveles de la
arquitectura, pero para que estas sean efectivas es necesario que las otras cinco capas sean
funcionales. A continuación, se muestra en la Fig. 2 el modelo de capas de la Arquitectura
de IoT.
La arquitectura describe la estructura de su solución de IoT, lo que incluye los aspectos
físicos (esto es, las cosas) y los aspectos virtuales (como los servicios y los protocolos de
comunicación). Adoptar una arquitectura con múltiples niveles le permite concentrarse en
mejorar su comprensión acerca de cómo todos los aspectos más importantes de la
arquitectura funcionan antes de que los integre dentro de su aplicación de IoT. Este enfoque
modular le ayuda a gestionar la complejidad de las soluciones IoT.[8]
Fig. 2 Modelo IoT.
Fog
Cosas•Capa 1-dispositivos, sensores, controladores, etc.
Conectividad•Capa 2-Comunicaciones, Protocolos, Redes, M2M, Wifi, Telecom, Hw kits.
Nube
Infraestructura global• Capa 3 -Infraestructura en la nube (pública, privada, híbrida, administrada).
Big Data
Ingesta de datos•Capa 4 - Big Data, recolección y almacenamiento de datos de las "cosas".
Análisis de los datos
•Capa 5 -Informes, extracción, aprendizaje automático.
Valor de
negocio
Aplicaciones
•Capa 6: aplicaciones personalizadas creadas con datos de las"cosas".
Personas y Proceso
•Capa 7 - Toma de decisiones transformacionales basada en las "cosas" Aplicaciones y datos.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
21
C. Conexión a la red
En esta sección se expone una clasificación de las redes de comunicación de acuerdo a el
tamaño de la red informática con la que se va a tratar.
1. Definición de una red informática.
Una red es un medio de comunicación que permite a personas o grupos compartir
información y servicios.
La tecnología de las redes informáticas está compuesta por el conjunto de herramientas que
permiten a los ordenadores compartir información y recursos.
Una red está constituida por equipos llamados nodos. Las redes se categorizan en función
de su amplitud y de su ámbito de aplicación. Para comunicarse entre sí, los nodos utilizan
protocolos, o lenguajes, comprensibles para todos ellos. [9]
2. Internet
Internet es la unión de todas las redes y computadoras distribuidas por todo el mundo, por
lo que se podría definir como una red global en la que se conjuntan todas las redes que
utilizan protocolos TCP/IP y que son compatibles entre sí.
En esta “red de redes” como también es conocida, participan computadores de todo tipo,
desde grandes sistemas hasta modelos personales. En la red se dan citas instituciones
oficiales, gubernamentales, educativas, científicas y empresariales que ponen a disposición
de millones de personas su información.[10]
3. Intranet
Se le puede llegar a considerar como un sitio web interno, diseñado para ser utilizado dentro
de los límites de la compañía o comunidad. Lo que distingue una Intranet de un sitio de
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
22
Internet, es que las intranets son privadas y la información que en ella reside tiene como
objetivo asistir a los trabajadores y ocupantes de la red.
Es una red de internet que funciona exclusivamente para una empresa o conjunto de casas y
puede tener o no acceso a internet puesto que su fin es compartir información entre equipos
conectados a dicha red. Esta red esta sistemáticamente diseñada para que los usuarios de
intranet tengan acceso a internet, pero los usuarios de internet estén privados del acceso a
los equipos conectados a la intranet.[11]
Para resumir un poco las diferencias que existen entre Internet e Intranet veamos el siguiente
cuadro:
TABLA1. Diferencias que existe entre Internet e Intranet
INTERNET INTRANET
ACCESO Público Privado
USUARIOS Cualquiera Miembros de una compañía
INFORMACIÓN Fragmentada Propietaria
D. Almacenamiento en la nube
El almacenamiento en la nube es una manera sencilla y escalable de almacenar, acceder y
compartir datos a través de Internet. Los proveedores de almacenamiento en la nube, como
Amazon Web Services, son propietarios y responsables del mantenimiento del hardware y
software conectados en red, mientras el usuario se dedica a aprovisionar y utilizar lo que
necesite por medio de una aplicación web. El almacenamiento en la nube elimina los costos
de adquisición y administración que conllevan la compra y el mantenimiento de su propia
infraestructura de almacenamiento, incrementa la agilidad, proporciona escala global y
permite el acceso a los datos "desde cualquier lugar y en cualquier momento".[12]
Hay dos usos básicos para la nube: almacenamiento de archivos, donde los usuarios y las
empresas guardan su información, la comparten en forma remota, etc. Y el otro, el uso y
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
23
distribución de aplicaciones de software, llamado SaaS3 (Sofware As A Service), que puede
ser gratuito o pago.
Para el funcionamiento de la nube se llega a la creación de los Data Centers, allí se almacena
todo el contenido y la información que se genera las 24 horas. A su vez la nube no solo
ocupa espacio físico, sino que para que funcione, necesita de enormes volúmenes de energía.
Hay diversas maneras de presentar la información almacenada en la nube unas de ellas serán
mencionadas a continuación.
1. Dashboard
Un dashboard es una representación gráfica de las principales métricas o KPIs que
intervienen en la consecución de los objetivos de una estrategia de Inbound Marketing4 .
Esta herramienta permite visualizar el problema y favorecer la toma de decisiones orientada
a mejorar los posibles errores que se puedan estar cometiendo. El fin último es transformar
los datos en información útil para orientar la estrategia hacia la consecución de los objetivos
planteados.[13]
Un ejemplo de la una plataforma especifica con la idea de dashboard es la de fitbit, como se
ve en la Fig. 3 es una página estructurada para ver los componentes de manera sencilla.
3 El software como servicio (SaaS) permite a los usuarios conectarse a aplicaciones basadas en la nube a
través de Internet y usarlas.
4 Inbound marketing es una estrategia que se basa en atraer clientes con contenido útil, relevante y agregando
valor en cada una de las etapas del recorrido del comprador. Con inbound marketing, los clientes potenciales
encuentran tu empresa a través de distintos canales como blogs, motores de búsqueda y redes sociales.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
24
2. ThingSpeak
ThingSpeak permite recopilar, almacenar, analizar, visualizar y actuar sobre la información
recogida en sensores y dispositivos como aplicaciones web y móviles, redes sociales como
Twitter, soluciones de mensajería, VoIP y nube como Twilio, hardware de código abierto
como Arduino, Raspberry Pi o BeagleBone o con lenguajes de cálculo computacional como
MATLAB.
Funciona siempre con canales, los cuales contienen los campos de datos, ubicación y estado.
Para empezar a trabajar con esta interfaz es necesario crear un canal, donde se recopilará la
información de dispositivos y aplicaciones, datos que posteriormente se pueden analizar y
visualizar en gráficos.[14]
Un ejemplo de su plataforma se observa en la Fig. 4, se observan estadísticas y
especificaciones.
Fig. 3. Recuento Fitbit
Tomado de: https://www.fitbit.com/2018/02/22
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
25
3. Ubidots
Ubidots es un servicio en la nube que nos permite almacenar e interpretar información de
sensores en tiempo real, haciendo posible la creación de aplicaciones para el Internet de las
Cosas de una manera fácil y rápida. Gracias a ésta herramienta, podremos ahorrarnos tiempo
y dinero al momento de desarrollar aplicaciones como sistemas de telemetría GPS, sistemas
para monitoreo de temperatura, aplicaciones para contar vehículos en una calle, etc.[15]
Fig. 4 Ejemplo del tipo de gráficos, análisis y visualización con ThingSpeak son estas mediciones de
temperatura
Tomado de: https://bbvaopen4u.com/es/actualidad/apis-para-el-internet-de-las-cosas-thingspeak-pachube-
y-fitbit
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
26
4. Pachube (Xively)
Pachube permite almacenar, compartir y analizar en tiempo real los datos de energía o
medioambientales recogidos por sensores en edificios y otros dispositivos. Toda la
funcionalidad del sistema de Pachube viene dada por la aplicación, que es la que facilita que
la información generada por edificios, contadores de energía o dispositivos móviles con
sensores sea recogida y analizada y que todos esos objetos estén conectados entre sí.
Pachube funciona en el entorno EEML (Extended Markup Language Environments), un
protocolo para el intercambio de datos de sensores en ambientes a distancia, ya sean físicos
o también virtuales. [14]
E. Protocolos de comunicación
Los Protocolos de comunicación se tratan del conjunto de pautas que posibilitan que
distintos elementos que forman parte de un sistema establezcan comunicaciones entre sí,
intercambiando información.
A los llamados “objetos inteligentes” que constituyen las redes de sensores/actuadores
inalámbricos (WSAN) se les otorga direcciones IP para que sean parte integral de Internet
y puedan aprovechar los servicios que este ofrece en relación con la monitorización y control
de dichos dispositivos. Esto conlleva a la conexión de objetos físicos y digitales al Internet
[16].
La tecnología inalámbrica es la vía fundamental por la que los “objetos inteligentes” se
comunican entre ellos y hacia Internet. En este sentido, cobran importancia las redes de
sensores inalámbricos (WSN) como la tecnología que permite la escalabilidad del IoT y con
la funcionalidad suficiente para proporcionar su integración con la arquitectura actual de
Internet. [17]
La tecnología clave para la creación de redes IP en los dispositivos inalámbricos es “IPv6
over Low power Wireless Personal Area Networks” (6LoWPAN), un estándar que
especifica cómo se transportan paquetes IPv6;Este estándar define la implementación de la
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
27
pila de IPv6 en la parte superior de IEEE 802.15.4 para que cualquier dispositivo pueda ser
accesible desde y con el Internet versión 6 [18]. 6LoWPAN se basa en la idea de que todos
los nodos sensores deben soportar la pila de protocolos TCP/IP y así unirse a IoT.
1. WiFi
Se usa el término Wi-Fi (wireless fidelity o fidelidad sin cables) para designar a todas las
soluciones informáticas que utilizan tecnología inalámbrica 802.11 para crear redes. 802.11
es el estándar más utilizado para conectar ordenadores a distancia. El uso más frecuente de
esta tecnología es la conexión de portátiles a internet desde las cercanías de un punto de
acceso o hotspot. Estos puntos son cada vez más abundantes y permiten a cualquier usuario
utilizar la red sin necesidad de instalar un cable telefónico. La emisión y recepción de datos
se realiza a través de radiofrecuencia. Existen diferentes formatos de conexión, pero el más
popular es el conocido como 802.11b, que opera en la banda de los 2,4 gigahertzios, la
misma que las microondas de la telefonía móvil. [19]
2. ZigBee
Es una tecnología de redes inalámbricas, desarrollada por ZigBee Alliance, cuyas ventajas
son la facilidad de instalación, transferencia de datos fiables, operación de corto alcance, de
muy bajo costo, con una duración de la batería razonable, y mantiene una simple y flexible
pila de protocolo.[20]
Tiene velocidades comprendidas entre 20Kbps y 250Kbps y rangos de 10 m a 75 m. Puede
usar las bandas libres ISM de 2,4 GHz, 868 MHz (Europa) y 915 MHz (EEUU). Una red
ZigBee puede estar formada por hasta 255 nodos (frente a los 8 de Bluetooth), los cuales
tienen la mayor parte del tiempo el transceiver dormido con objeto de consumir menos que
otras tecnologías inalámbricas. Los módulos ZigBee están pensados para ser los
transmisores inalámbricos más baratos producidos de forma masiva. Con un coste estimado
alrededor de los 2 euros dispondrán de una antena integrada, control de frecuencia y una
pequeña batería (dos pilas AA)[21]
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
28
3. Bluetooth
El estándar Bluetooth es una especificación industrial para Redes Inalámbricas de Área
Personal (WPAN) que posibilita la transmisión de voz y datos entre diferentes dispositivos
mediante un enlace por radiofrecuencia en la banda científica y médica (ISM) de los 2,4
GHz a los 2,485 GHz. Emplea el espectro ensanchado por salto de frecuencia y una señal
full-dúplex con una tasa nominal de 1600 saltos/s. Se presenta como la tecnología
inalámbrica ideal para la conexión de dispositivos electrónicos.[22]
Bluetooth Low-Energy (BLE) Es un subconjunto del Bluetooth Clásico (BC) v4.0
desarrollado por Bluetooth Special Interest Group (SIG) Se ha diseñado como una
tecnología complementaria al Bluetooth clásico para garantizar un consumo de energía bajo,
y menor tiempo de establecimiento de conexión, con una pila de protocolo completamente
nueva para desarrollar rápidamente enlaces sencillos. A pesar de operar en la misma Banda
que el Bluetooth Clásico y las similitudes compartidas, BLE se debe considerar como un
nuevo estándar con objetivos y aplicaciones diferentes. BLE está diseñado para la
transmisión de pequeñas cantidades de datos (tiempos de transmisión muy pequeños) y por
lo tanto de ultra-bajo consumo de energía.[23]
4. RFID y NFC
Radio-Frequency Identification (RFID) o Identificación por Radio Frecuencia es un método
de comunicación usado para el seguimiento e identificación de objetos de forma
inalámbrica. Los Tags o etiquetas RFID pueden ser leídos o escritos a comparación de los
tradicionales códigos de barras. Pueden ser actualizados, cambiados y bloqueados.
Near-Field Communication (NFC) algo así como Comunicación de Campo Cercano, es un
protocolo de comunicación basado en Radio Frecuencia. Es un subconjunto del protocolo
RFID que vimos, teniendo similitudes, pero algunas diferencias importantes. La NFC
también se ha convertido en una tecnología popular, tanto que casi 9 de 10 smartphones se
venden con compatibilidad en este protocolo, permitiendo pagos sin contacto como Apple
Pay y Google Wallet.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
29
La TABLA 2, permite comparar las características de las tecnologías de comunicación
inalámbricas, que operan en la misma banda, y que, además, se consideran en muchos
sectores competencia directa.
TABLA 2 Comparación de las Tecnologías BC, BLE, Wi-Fi y Zigbee. [23]
CARACTERÍSTICA BC BLE WIFI ZIGBEE
BANDA DE FRECUENCIA 2.4 GHz 2.4 GHz 2.4 GHz / 5
GHz
2.4 GHz
ANCHO DE BANDA
CANAL
1 MHz 2 MHz 20 MHz / 40
MHz
5 MHz
NÚMERO DE CANALES 79 40 11 16
MODULACIÓN GFSK GFSK5 OFDM6,
DSSS7
DSSS
RANGO APROXIMADO 10 m 100 m 100 m 75 m
MÁXIMA TASA - BIT
RATE
3 Mbps 1 Mbps 1 Mbps - 7
Mbps
250 Kbps
CONSUMO CORRIENTE
PICO
< 40 mA < 15 mA 60 mA RX,
200 mA TX
19 mA RX,
35 mA TX
CORRIENTE EN
STANDBY
< 200
micro A
< 2 microA < 100
microA
< 5 microA
MÁXIMA POTENCIA 100 mW 10 mW 100 mW
LATENCIA
APROXIMADA
100 ms 6 ms 50 ms < 15 ms
Haciendo un recuento de 16 artículos académicos y sus tecnologías se puede identificar con
la gráfica de la Fig. 5, que el uso es relativamente equivalente entre las opciones, pero se ve
una preferencia con la tecnología del bluetooth, los autores apoyan sus proyectos sobre
internet de las cosas preferentemente en este estándar.
5 GFSK: Gaussian Frequency Shift Keying
6 OFDM: Orthogonal Frequency Division
7 DSSS: Direct Sequence Spread Spectrum
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
30
Fig. 5 Estadísticas de recurrencia en el uso de protocolos de comunicación en proyectos de IoT
F. Protocolos de red
Se han desarrollado varios estándares y protocolos en competencia para permitir la visión
de Internet de las cosas. En esta sección describimos protocolos estandarizados prominentes
que se usan en el entorno general de IoT.
1. HTTP
Protocolo de Transferencia de Hipertexto HTTP (Hypertext Transfer Protocol) usado para
acceder a la información y realizar actualizaciones; sin embargo, no es el más idóneo para
trabajar con redes y dispositivos de recursos limitados. HTTP está basado en la
Transferencia de Estado Representacional (REST), un estilo de arquitectura que proporciona
la información disponible en la web mediante recursos identificados por los URI (Uniform
Resource Identifier).[17]
24%
28%29%
19%
Protocolos de comunicaciónZigBee Bluetooth wifi otros
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
31
2. MQTT
El Transporte de telemetría de cola de mensajes (MQTT) es un protocolo de código abierto
que se desarrolló y optimizó para dispositivos restringidos y redes de bajo ancho de banda,
alta latencia o poco confiables. Es un transporte de mensajería de publicación/suscripción
que es extremadamente ligero e ideal para conectar dispositivos pequeños a redes con ancho
de banda mínimo. El MQTT es eficiente en términos de ancho de banda, independiente de
los datos y tiene reconocimiento de sesión continua, porque usa TCP. Tiene la finalidad de
minimizar los requerimientos de recursos del dispositivo y, a la vez, tratar de asegurar la
confiabilidad y cierto grado de seguridad de entrega con calidad del servicio.
El MQTT se orienta a grandes redes de dispositivos pequeños que necesitan la supervisión
o el control de un servidor de back-end en Internet. No está diseñado para la transferencia
de dispositivo a dispositivo. Tampoco está diseñado para realizar "multidifusión" de datos a
muchos receptores. El MQTT es simple y ofrece pocas opciones de control. Las aplicaciones
que usan MQTT, por lo general, son lentas en el sentido de que la definición de "tiempo
real" en este caso se mide habitualmente en segundos.[24]
3. CoAP
El CoAP (Constrained Application Protocol, Protocolo de aplicación restringida) está
semánticamente alineado con HTTP e, incluso, tiene asignaciones uno a uno hacia y desde
HTTP. Los dispositivos de red están restringidos por microcontroladores más pequeños, con
pequeñas cantidades de memoria flash y RAM, mientras que las restricciones en las redes
locales, como 6LoWPAN, se deben a altas tasas de error de paquete y a un bajo rendimiento
(decenas de kilobits por segundo). El CoAP puede ser un protocolo apropiado para
dispositivos que operan con batería o mediante extracción de energía. El CoAP aborda
completamente las necesidades de un protocolo extremadamente ligero y con la naturaleza
de una conexión permanente. Tiene conocimiento semántico de HTTP y es RESTful
(recursos, identificadores de recursos y manipula esos recursos a través de una Interfaz de
programación de aplicaciones [API] uniforme). [24]
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
32
A continuación, en la TABLA 3 se muestra una comparación entre los protocolos de red
presentados anteriormente.
TABLA 3 Comparación entre los protocolos de red. [23]
HTTP CoAP MQTT
Estándar Estandarizado por la
IETF en los RFCs 1945,
2616, 2774 y 7540. El
más importante 2616.
Libre de derechos de
autor
En proceso de
estandarización por el OASIS
(MQTT) Technical
Committee. Libre de
derechos de autor desde que
IBM liberó su especificación
Modelo Petición o
Solicitud/Respuesta
Petición o
Solicitud/Respuesta.
Arquitectura
Cliente/Servidor, similar
al de HTTP.
Publicación/Suscripción
Seguridad Media. Segura con
SSL8. Muy vulnerable
si no usa certificados de
seguridad, son costosos
Opcional en la capa de
transporte, Seguridad
DTLS.
Media. Autenticación de
cliente y conexión segura con
SSL. La conexión puede ser
cifrada usando SSL/TLS.
Flexibilidad Flexible. Permite añadir
nuevos métodos, que
añaden nuevas
funcionalidades.
No Flexible. Se requiere una
nueva versión del protocolo
para añadir una
funcionalidad.
Sobrecarga Alta. Cabeceras muy
largas y
de texto plano, sin
comprensión. En la
versión 2, añade compresión.
Baja. Encabezados
pequeños, simplifica la
cabecera HTTP.
Muy baja. La cabecera corta
de los mensajes tan solo
ocupa 2 bytes. En general es
un protocolo muy ligero que
introduce una sobre carga mínima en la red.
Websockets
Si
Soporta IoT Sí. HTTP RESET Sí. Diseñado para
trabajar en dispositivos
electrónicos muy
simples y con recursos limitados.
Sí. Debido a sus
características, MQTT es un
protocolo ideal para los
requisitos que impone el IoT.
Escalabilidad Alta
Alta. Por lo general, depende
de la calidad de los nodos
servidores y de la topología
que usen. P.e. El chat de
8 SSL: Secure Sockets Layer (capa de puertos seguros)
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
33
4. Thread
Thread es un protocolo de red con características de seguridad y de bajo consumo energético,
las cuales lo hacen mejor alternativa para conectar dispositivos del hogar que otras
tecnologías como Wifi, NFC, Bluetooth o ZigBee [14]. Fue desarrollado con el esfuerzo en
conjunto Nest4 y otras empresas como Samsung Electronics, ARM Holdings, Freescale
Semiconductor, Silicon Labs, Big Ass Fans, y el fabricante de cerraduras Yale. Los chips
de radio utilizados para los dispositivos inteligentes compatibles con Thread ya existen en
varios productos conectados del hogar como el termostato de Nest y las bombillas de
Philips.[25]
Tiene las siguientes características:
Estándar: Thread, basado en IEEE802.15.4 y 6LowPAN
Frecuencia: 2,4GHz (ISM)
G. Topologías de red
Se distingue entre la topología física, en relación con el plano de la red, y la topología lógica,
que identifica la forma en que la información circula por el nivel más bajo.
La interconexión entre nodos de la red se realiza en forma de conexión punto a punto, es
decir, uno a uno, o en forma de multipuntos, n nodos con n nodos.
1. Punto a Punto – P2P
Las redes P2P son una red de computadoras que funciona sin necesidad de contar ni con
clientes ni con servidores fijos, lo que le otorga una flexibilidad que de otro modo sería
imposible de lograr. Esto se obtiene gracias a que la red trabaja en forma de una serie de
nodos que se comportan como iguales entre sí. Esto en pocas palabras significa que las
computadoras conectadas a la red P2P actual al mismo tiempo como clientes y servidores
con respecto a las demás computadores conectadas.[26]
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
34
2. Multipuntos
Un componente centralizador, como el punto de acceso (AP - Access Point) y Wi-Fi
centralizan las comunicaciones. También permiten la interconexión con la red cableada
local.
1) Topología tipo estrella
Todos los dispositivos están conectados en forma independiente a una computadora central.
En este tipo de conexión, si una de las estaciones de trabajo no funciona, no se ven afectadas
las demás terminales, siempre que el servidor se encuentre activo.[9]
2) Topología tipo Malla
La malla es el tipo de red donde cada dispositivo está comunicado con uno, dos o más
dispositivos a la vez. Una red en malla ofrece una gran capacidad de redundancia en la
Fig. 6 Topología en estrella
Tomado de: https://domoticautem.wordpress.com/topologia-de-los-sistemas/
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
35
comunicación9. Si un parte falla los demás pueden seguir comunicándose utilizando otro
camino. Esta no es la red más utilizada por obvias razones de incremento de costo para
establecer la redundancia de comunicación y lo complicado de su naturaleza.[27]
3) Topología tipo Anillo
Cada dispositivo está conectado al siguiente, y el último se conecta al primero, de manera
que la información se transmite de máquina en máquina. La desventaja de esta conexión
reside en que al fallar una de las estaciones se interrumpe la señal en el resto de la red. [27]
9 La redundancia constituye un factor comunicativo estratégico que consiste en intensificar, subrayar y
repetir la información contenida en un mensaje a fin de que no se provoque una pérdida fundamental de
información.
Fig. 7 Topología en malla
Tomado de: https://domoticautem.wordpress.com/topologia-de-los-sistemas/
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
36
4) Topología tipo Bus
Todos los dispositivos están conectados a un único cable central, lo que simplifica la
instalación de la red y reduce su costo. Al compartir un único canal se producen colisiones
entre algunos paquetes de datos, que no llegan a destino. En caso, los paquetes se
retransmiten hasta completar la señal. [9]
Fig. 9 Topología lineal (Bus)
Tomado de: https://domoticautem.wordpress.com/topologia-de-los-sistemas/
Fig. 8 Topología en anillo
Tomado de: https://domoticautem.wordpress.com/topologia-de-los-sistemas/
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
37
5) Topología tipo Híbrida
Las redes híbridas, como el nombre dicen, son combinaciones de dos o más topologías de
redes básicas. Esta podría ser una estrella-malla, por ejemplo. Las redes híbridas ofrecen
una mayor flexibilidad y confianza ya que ellas traen lo mejor de cada red básica. Pero al
mismo tiempo tienen un incremento en la complejidad lo que hace que sean más difíciles de
configurar y administrar. Sin embargo, las redes híbridas tienen muchos beneficios cuando
se quiere que tengan capacidades de más de una red básica a la vez. [27]
H. Entorno inteligente
Hay varios dominios de aplicaciones que se verán afectados por el Internet of Things
emergente. Las aplicaciones se pueden clasificar en función del tipo de disponibilidad de
red, cobertura, escala, heterogeneidad, respetabilidad, participación del usuario e impacto.
Fig. 10 Topología mixta
Se pueden observar componentes tipo bus, anillo y estrella
Tomado de: https://domoticautem.wordpress.com/topologia-de-los-sistemas/
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
38
Se categorizan en un caso las aplicaciones en cuatro dominios de aplicación: (1) Personal y
Hogar; (2) Empresarial; (3) Servicios públicos; y (4) Móvil. La IoT personal y hogar a la
escala de un individuo u hogar, IoT empresarial en la escala de una comunidad, IoT de
servicios públicos a escala nacional o regional y la IoT Mobile que generalmente se
distribuye en otros dominios principalmente debido a la naturaleza de la conectividad y la
escala. Hay un gran cruce en las aplicaciones y el uso de datos entre dominios. Por ejemplo,
el personal y el hogar IoT producen datos de uso de electricidad en él y lo pone a disposición
de la compañía de electricidad (empresa de servicios públicos) que a su vez puede optimizar
el suministro y la demanda en las utilidades IoT. Internet permite el intercambio de datos
entre diferentes proveedores de servicios de una manera transparente creando múltiples
oportunidades comerciales. Se dan algunas aplicaciones típicas en cada dominio. [28] En
la se observa algunas aplicaciones referentes al IoT con la clasificación mencionada
anteriormente y con algunas características dada su naturaleza, por último, se da un ejemplo
de aplicación existente en el área.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
39
TABLA 4 Dominios de aplicación de entorno inteligente.[28]
Hogar /
oficina
inteligente
Venta
minorista
inteligente
Ciudad
inteligente
Agricultura /
bosque
inteligente
Agua
inteligente
Transporte
inteligente
Tamaño de
red
Pequeña Pequeña Medio Mediano
grande
Grande Grande
Usuarios Muy pocos,
miembros
de la familia
Pocos, nivel
de
comunidad
Muchos,
legisladores,
público en
general
Pocos,
terratenientes,
legisladores
Pocos, gobierno Gran público en
general
Energía Batería
recargable
Batería
recargable
Batería
recargable,
recolección
de energía
Recolección de
energía
Recolección de
energía
Batería recargable,
recolección de
energía
conectividad
a Internet
Wifi, 3G,
4G LTE
backbone
Wifi, 3G,
4G LTE
backbone
Wifi, 3G, 4G
LTE
backbone
Wifi,
comunicación
satelital
Comunicación
satelital, enlaces
de microondas
Wifi,
comunicación
satelital
Gestión de
datos
Servidor
local
Servidor
local
Servidor
compartido
Servidor local,
servidor
compartido
Servidor
compartido
Servidor
compartido
Dispositivos
de IoT
RFID, WSN RFID,
WSN
RFID, WSN WSN Sensores
individuales
RFID, WSN,
sensores
individuales
Requisito de
ancho de
banda
Pequeña Pequeña Grande Medio Medio Mediano grande
Ejemplos de
bancos de
pruebas
Casa
consciente
Centro
comercial
futuro de
SAP
Smart
Santander ,
citySense
SiSViA GBROOS ,
SEMAT
Algunas
implementaciones
de prueba
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
40
VI. METODOLOGÍA
En este capítulo se presenta el desarrollo metodológico del trabajo, que se encuentra
fundamentado en los objetivos específicos, además, se identifican los métodos necesarios
para llevar a cabo dichos objetivos, el procedimiento y o técnicas que fueron utilizados.
Los métodos determinados para el trabajo son:
Investigación documental y de campo
Inicialmente, el proyecto plantea la creación de un estado del arte (investigación)
relacionado con los temas generales del IoT. En este tipo de investigaciones se estudia una
problemática a partir de la recolección y análisis de datos directos de la realidad. El estado
del arte se basa en la obtención y análisis de literatura impresa o digital, de esta manera, se
establece la información más relevante, que permite determinar las tendencias y lo más útil
para la creación del reporte de la investigación. Esta revisión sistemática de la literatura
"consiste en la recopilación, análisis y validación de la información sobre los desarrollos
científicos y tecnológicos en un área de interés definida (en este caso el IoT), con el fin de
apoyar una acción o decisión específica. Puede ser un estudio aislado que se inicie y
completado en unos pocos meses o un esfuerzo continuo e interactivo "[29]
Sin embargo, para comenzar la revisión es importante identificar cuáles son las principales
características de un sistema IoT, que deben entenderse para la creación de un ejercicio
académico extracurricular de un programa de ingeniería, estas características son: a) la
fusión de entornos físicos y digitales b) objetos físicos se convierten en entidades de internet
c) una enorme red de objetos, sensores y actuadores conectados a internet d) una alta
cantidad de datos para procesar, y e) plataformas avanzadas de sistemas integrados .[30]
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
41
También, el desarrollo de unas prácticas debe de incluir un enfoque. Para lo cual se propone
el aprendizaje basado en proyectos (en inglés, Project Based Learning - PBL), que es un
enfoque pedagógico, donde los estudiantes trabajan en grupos para resolver un problema
desafiante. El proyecto debe ser abierto y de carácter interdisciplinario, y puede aumentar el
desafío para los estudiantes y su nivel de motivación. Además, el PBL puede ser una
herramienta eficaz para lograr objetivos de los estudiantes (en inglés, Student Outcomes –
SO) en el contexto de la educación actual basada en resultados emergentes [31].
El proceso sistemático de revisión de literatura se puede esquematizar por medio de la Fig.
11.
El esquema de la Fig. 11 fue el que se utilizó como base para la investigación realizada.
Primero, se realizó una búsqueda exploratoria de documentos que definían que es el Internet
de las Cosas. Con el objetivo de identificar las partes importantes que componen un esquema
de IoT.
Fig. 11 Proceso sistemático de revisión de la literatura.[53]
Tomado de: [32]J. F. Valencia and D. F. Valencia, “EA VAR_and_MODELS_A&A_DFV.”
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
42
Una de las definiciones que ha sido más aceptada por la comunidad científica es la que Kevin
Ashton hizo diciendo que el IoT es el internet conectado a una serie de sensores que se
encuentran instalados de manera ubicua. Entonces, en este trabajo se entiende que un modelo
IoT se compone de sensores e internet. Además, esto conlleva a otros dos temas secundarios
que sería la comunicación entre los sensores e internet, o cómo conectar los sensores, y qué
hacer con la información que generan estos sensores. A partir de esta exploración se planteó
que la búsqueda de documentación puede ser dividida en cuatro campos: los sensores, la
forma de conexión de los sensores, el almacenamiento de los datos y la visualización de los
mismos. Sobre esta división de campos surgieron entonces, las siguientes preguntas que
dirigirán la búsqueda de documentación:
1. ¿Qué tecnología se puede usar para la creación de dispositivos IoT?
2. ¿Cuáles son los costos de las tecnologías que utilizan los dispositivos IoT?
3. ¿Qué tecnología se puede usar para diseñar una red de dispositivos IoT?
4. ¿Qué tecnología se puede usar para conectar un dispositivo IoT a internet/red
privada?
5. ¿Qué plataforma permite almacenar y visualizar datos de los dispositivos IoT?
La búsqueda especifica de cada parte referente al IoT se realizó de la siguiente manera:
inicialmente la valoración de cada documento se realiza basada en la claridad de los
resultados obtenidos por cada investigación, estos resultados se buscaban en el resumen del
artículo. Luego, de realizar la valoración del documento se agrega a una tabla de
recopilación del estado del arte. La tabla también busca condensar la información relevante
de los documentos como metodologías, pruebas, tecnologías, conceptos entre otros.
Análisis de datos
La tabla que recopila el estado del arte es el insumo fundamental para la creación de las
guías de laboratorio sobre IoT, ya que, la intención principal de los laboratorios es trabajar
con la información más reciente. Como evidencia de la creación de esta tabla, en la Fig. 12
se puede observar un fragmento de la misma, y que fue utilizada en este trabajo de grado.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
43
Fig. 12 Tabla de recopilación del estado del arte
Luego, se realizaron los diagramas estadísticos de los módulos de hardware y tecnologías
que se utilizaron en las referencias bibliográficas seleccionadas. Con esto se busca
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
44
evidenciar la recurrencia de los diferentes componentes utilizados en los diversos proyectos
de IoT. Este análisis se dividió en sensores - Fig. 13, tarjetas o placas en las que se
desarrollan los proyectos - Fig. 14, plataformas de almacenamiento y tratamiento de datos
IoT - Fig. 15 y protocolos de red que determinan la normativa y los criterios de cómo deben
comunicarse los diversos componentes de un cierto sistema de interconexión - Fig. 16.
Fig. 13 Estadísticas de recurrencia en el uso de sensores en proyectos de IoT
Fig. 14 Estadísticas de recurrencia en el uso de placas en proyectos de IoT
12%
6%
6%
12%
6%
17%
41%
Sensores
temperatura LM35DZ.
temperatura 5820L
temperatura TMP36
sensor pulso
corriente ACS712-30Amp
ultrasónico HC-SR04
otros
50%
17%
5%
17%
5%6%
Placas/Tarjetas
arduino uno
arduino nano
Intel Galileo Generación 1
NodeMCU
Raspberry Pi
Arduino MKR1000 board
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
45
Fig. 15 Estadísticas de recurrencia en el uso de plataformas en proyectos de IoT
Fig. 16 Estadísticas de recurrencia en el uso de protocolos de red en proyectos de IoT
Se determinaron unas restricciones que se observan en la TABLA 5, con ellas se ha de
trabajar en los laboratorios de IoT, se espera que el kit de trabajo tenga un coste no mayor
de 50 mil pesos de esta manera el valor sea viable para poder llegar a masificarse del taller.
El valor estimado de los kit´s no cuenta con la placa Arduino uno, puesto que está ya se
encuentra entre los materiales del laboratorio de electrónica de la universidad a los que
tenemos acceso. Se estima que el tiempo máximo para la implementación de las prácticas
sea de una jornada (8 horas), para que pueda realizarse en talleres a escolares y que no sea
25%
6%
6%
6%13%
13%
31%
Plataformas
Thingspeak
carriots
Node RED
Sofia 2
Packet tracer
IFTTT
Otras
25%
33%
17%
25%
Protocolos de red
HTTP
MQTT
CoAP
DHCP
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
46
extenuante. Se quiere que los recursos sean elementos locales, la accesibilidad es necesaria
en casos de daños a los componentes de los kit´s .
TABLA 5 Restricciones del proyecto
Restricciones Característica
De coste $50.000 por kit
Tiempo 8 horas
recursos Elementos locales
También se realizó una tabla con los costos tanto en sensores como en plataformas que
podrían llegar a ser usados, especificando si es posible encontrarlo localmente (Cali) para
así determinar la accesibilidad y la conveniencia para el proyecto.
TABLA 6 Precios y disponibilidad de componentes de proyectos IoT
Componente Precios Existencias locales(L) o NO locales (NL)
temperatura
LM35DZ.
$ 6.422 L
luz (Seeed
Grove)
$ 9.085 NL
UV (Seeed Grove)
$ 31.015 NL
barómetro
(Seeed Grove)
$ 46.680 NL
polvo (Seeed
Grove)
$ 36.028 NL
ultrasónico HC-
SR04
$ 12.374 L
sensor pulso $11900/$36800 NL/L
temperatura
5820L
$ 181.900 NL
temperatura
TMP36
$ 7.500 L
arduino uno $ 68.923 L
Raspberry Pi $ 137.847 L
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
47
TABLA 7 Precios y disponibilidad de plataformas de proyectos IoT
Plataforma Tipo de pago Uso Online
Thingspeak libre SI
Packet tracer libre NO
IFTTT libre SI
Samsung Artik
Cloud
pago SI
aREST
Framework
pago SI
Finalmente, con la información recolectada se responden las preguntas de investigación.
1. ¿Qué tecnología se puede usar para la creación de dispositivos IoT?
Los sensores. Es el elemento hardware que interactúa entre nuestra tecnología y el entorno,
capturando los datos que nosotros deseemos.
2. ¿Cuáles son los costos de las tecnologías que utilizan los dispositivos IoT?
Los costos son variados dentro de los dispositivos, pero en su mayoría y dependiendo de la
exactitud del sensor los precios son elevados en cuanto a los elementos IoT. Algunos de los
precios se evidencian en la tabla2.
3. ¿Qué tecnología se puede usar para diseñar una red de dispositivos IoT?
Las plataformas que permiten el diseño de una red de dispositivos IoT son: Cisco Packet
Tracer, GNS3, Netsim, Netsimk,WebNMS Simulation Toolkit, Shunra NV Desktop y
Jimsim.
4. ¿Qué tecnología se puede usar para conectar un dispositivo IoT a internet/red
privada?
Se tienen una amplia gama de opciones para conectar dispositivos y sensores de IoT. Cada
opción tiene ventajas y desventajas específicas, dependiendo de la aplicación. Cuatro
tecnologías de red que tienen una amplia adopción comercial en la actualidad son candidatas
para redes IoT: Bluetooth, el Wi-Fi, el 4G LTE, el Ethernet, además, la industria de las
comunicaciones ha inventado una serie de nuevas tecnologías de red diseñadas
específicamente para conectar dispositivos IoT.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
48
5. ¿Qué plataforma permite almacenar y visualizar datos de los dispositivos IoT?
Las plataformas que permiten el almacenamiento y visualización de los datos arrojados por
sensores IoT son: Thingspeak, carriots, Node RED, IFTTT, Blynk, Samsung Artik Cloud,
AdaFruit entre otras.
En la Fig. 17 se muestra el esquema general de las guías de laboratorio, una de ellas es de
forma virtual, pero, el resto de ellas es con componentes físico y aplica el esquema
anteriormente mencionado.
Con la tabla y la segmentación de los temas principales, se establece la necesidad de una
división de 4 guías que respondan las preguntas fundamentales para la temática. La manera
Fig. 17 . Esquema general de los proyectos de las guías de laboratorio propuestos.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
49
en que se busca responder a las preguntas es por medio de los objetivos individuales de cada
guía. A continuación, se resume cada una de estas guías:
Nombre de practica – Guía 1: ¿Qué genera datos? ¿Cómo?
La práctica se refiere a los sensores que se pueden llegar a usar en un dispositivo
IoT. En esta, se explican dos de las variables más utilizadas en instrumentación que son la
temperatura y la proximidad (distancia). Por ejemplo, en la industria el uso de sensores de
temperatura se evidencia en las constantes verificaciones de temperatura de los productos,
para asegurarse que la temperatura no dañe el material.
Un ejemplo del uso de sensores de distancia en la industria sucede en el llenado de
un tanque o la verificación de cierta cantidad de materia prima en algún proceso. Con estos
ejemplos se busca evidenciar la necesidad de comprender como funcionan los dispositivos
que transforman estos fenómenos físicos en variables eléctricas, y justificar el uso de los
sensores en la práctica.
Un criterio adicional para la selección de los dispositivos es la restricción económica,
ya que se busca que los talleres utilicen sensores de bajo costo (ver TABLA 6), y también
la frecuencia de aparición en el estado del arte.
Problema desafiante: El participante del taller debe crear un sistema electrónico
embebido que permita la captura de datos de dos sistemas físicos: la temperatura de un
recinto y el nivel de llenado de un recipiente de basura.
Objetivo general: Familiarizarse y reconocer diferentes tipos de sensores, y sus
principios de operación.
Los esquemas electrónicos que se utilizaron en la práctica son los que se observa en las
figuras a continuación, el de la primera parte en la Fig. 18 y el de la segunda parte en la Fig.
19 Esquema electrónico de la segunda parte de la guía 1..
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
50
Fig. 18 . Esquema electrónico de la primera parte de la guía 1.
Fig. 19 Esquema electrónico de la segunda parte de la guía 1.
Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas
51
Nombre de practica – Guía 2: ¿Cómo conectar un sensor a la red?
La práctica se refiere a las maneras en que un dispositivo IoT se puede conectar a
una red, la topología, los protocolos de conexión y de comunicación. Se conecta por medio
de redes locales (LAN).
La mayoría de las redes de área local (pequeña escala, pocos componentes) que
tienen un conmutador (switch) o un concentrador (hub) siguen esta topología. El punto o
nodo central en estas sería el switch o el hub, por el que pasan todos los paquetes de usuarios.
Con el objetivo de facilitar el direccionamiento de los dispositivos IoT, se utiliza el protocolo
de comunicación DHCP. El servidor DHCP asigna dinámicamente una dirección IP y otros
parámetros de configuración de red a cada dispositivo en una red para que puedan
comunicarse con otras redes IP, lo hace de forma aleatoria y no hay necesidad de
manipulación del usuario en cada dispositivo.
Se hace uso del software Cisco Packet Tracer que es un potente programa de
simulación de red que permite a los estudiantes experimentar con el comportamiento de la
red. Se utiliza Packet Tracer por que ofrece simulación, visualización, creación, evaluación
y capacidades de colaboración y facilita la enseñanza y el aprendizaje de los conceptos
tecnológicos complejos como lo es IoT, además cuenta con diversos dispositivos IoT que
hacen la experiencia muy grata.
Se realiza una parte de la práctica de forma cableada pues es la manera tradicional y
más fácil de realizar la comunicación y conexión de los sensores, estas redes son algo más
seguras que las redes inalámbricas, por eso los organismos de defensa e inteligencia
gubernamentales utilizan redes con cables dentro de sus edificios, además es más difícil que
sufran de interferencia.
La otra forma, es de manera inalámbrica, las ventajas al usar una red de sensores por wifi
son que no e