Internet de las cosas

Cosas

El IoT se basa en objetos y dispositivos que se conocen como "cosas" conectadas por internet y equipadas con sensores, software y otras tecnologías que les permiten transmitir y recibir datos desde y hacia otras cosas y otros sistemas. El objetivo principal del IoT es hacer que las cosas sean más dinámicas y convenientes. Los elementos básicos comunes que utilizan los sistemas del IoT a lo largo de diversos sectores y aplicaciones incluyen sensores, soluciones con cables e inalámbricas, antenas, baterías y unos pocos conectores más pequeños y componentes pasivos, lo que estimula las cosas inteligentes interconectadas de bajo consumo del ecosistema.

Estos sensores reúnen datos extremadamente confidenciales y llenan el vacío entre el mundo físico y el digital. Convierten información valiosa del mundo real al mundo digital, que luego se procesa y analiza para hacer algo útil, cómo mejorar los productos y servicios que se prestan a los usuarios de los equipos con IoT activo.

En cualquier aplicación inteligente, los sensores son muy importantes. Detectan los cambios físicos / químicos, y, tras procesar los datos reunidos, los sensores automatizan las aplicaciones / los dispositivos para hacerlos inteligentes. El IoT integra varios tipos de sensores, dispositivos y nodos que tienen la capacidad de comunicarse entre sí sin la intervención humana. Las cosas, como los módulos de actuadores y sensores, están conectadas físicamente mediante interfaces comunes como USB, GPIO, I2C, SPI y UART.

La esencia del IoT son las "cosas" y los "datos". El hardware que se utiliza en los sistemas del IoT está equipado con componentes electrónicos, como sensores integrados, actuadores y sensores inteligentes, electrónica de conectividad / comunicación y software para capturar, filtrar e intercambiar los datos entre sí, su estado y su entorno.

Las "cosas" tienen información asociada, pueden ser dinámicas o estáticas y están embebidas en un sistema. Esto permite que muchos objetos/dispositivos funcionen como "cosas" inteligentes. Los objetos con tecnología IoT activa han sido embebidos con capacidades inteligentes mediante el uso de diversas herramientas y tecnologías. Las "cosas" han evolucionado debido a la convergencia de múltiples tecnologías, el análisis en tiempo real, la inteligencia artificial, el aprendizaje automático, los sensores de mercancías y los sistemas embebidos. Los otros sistemas de soporte estructural que contribuyen con la activación del IoT son los campos tradicionales de los sistemas embebidos, las redes de sensores inalámbricos, los sistemas de control y la automatización, entre otros.

Los sensores se usan en casi cualquier área para crear un entorno del IoT inteligente. Algunas aplicaciones del entorno inteligente incluyen el estacionamiento inteligente, la gestión de tráfico inteligente, la iluminación inteligente, las ciudades inteligentes, los medidores inteligentes y muchas más. Existen diversos tipos de sensores que pueden ir de los más simples a los más complejos. Algunos de los sensores del IoT que se usan con frecuencia son los sensores de proximidad, posición, aforo, movimiento, velocidad, temperatura, presión, químicos, humedad, calidad del agua, infrarrojos, giroscópicos, ópticos y muchos más. La clasificación de los sensores se puede basar en sus especificaciones, su método de conversión, el tipo de material utilizado, el fenómeno físico que detectan, sus propiedades, etc. Esta funcionalidad se puede asignar en diferentes niveles de integración según cuántos tipos diferentes de sensores se incluyan en un solo encapsulado o módulo de detección.

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Conexión

Las aplicaciones del IoT varían bastante, pero muchas necesitan una gran cantidad de sensores distribuidos en un área de gran tamaño. Existen muchas técnicas de comunicación diferentes para que estos dispositivos de detección se conecten, y cada dispositivo puede usar protocolos de transmisión diferentes. Los sensores, las pasarelas, los routers, el software, las plataformas y otros sistemas se vinculan en el ecosistema del IoT. A la manera en que se conectan entre sí se le llama la red del IoT. Generalmente se refiere a varias soluciones de red que varían en términos de consumo energético, rango y capacidad de ancho de banda. Los dispositivos de sensores y transductores se conectan a las redes mediante diversos dispositivos de red como centrales, pasarelas, routers, puentes de red e interruptores, según la aplicación. La selección de la conectividad o la tecnología de protocolo de red correcta en el IoT requiere cuidadosa atención.

Las soluciones de conectividad para el IoT usan formatos de mensajes digitales, muchos de los cuales exigen reglas para intercambiar datos / mensajes entre los dispositivos. Estas se pueden implementar mediante soluciones de conectividad con cable o inalámbricas. Las soluciones inalámbricas tienen diferentes normas de conectividad para largo alcance y corto alcance. Las soluciones de conectividad de largo alcance pueden usar normas con licencia (celulares) o sin licencia, conocidas como LPWAN (redes de área amplia de bajo consumo). Las soluciones de redes de corto alcance del IoT transmiten datos en distancias físicas cortas generalmente inferiores a 150 metros entre el recolector de datos y la pasarela que procesa los datos del sensor.

Las pasarelas se pueden comunicar con los sensores o los dispositivos mediante diversos protocolos y luego traducir los datos a un protocolo estándar como MQTT. Pueden preprocesar y filtrar los datos que se generan, con el fin de reducir los requisitos de transmisión, procesamiento y almacenamiento según se requiera.

WiFi es la tecnología inalámbrica más utilizada para las redes de área local. Se utiliza en diversas aplicaciones del IoT, en especial en domótica y oficinas inteligentes. WiFi funciona en las frecuencias de 2,4 o 5 GHz. WiFi HaLow (802.11ah) y HEW (802.11ax) son dos estándares WiFi, desarrollados específicamente para el IoT.

Bluetooth es otro protocolo importante para el internet de las cosas, que se usa en domótica y aplicaciones industriales. Esta tecnología está creciendo de forma considerable. Es una opción de conectividad de bajo consumo, corto alcance y gran ancho de banda. Bluetooth V5 es la versión más reciente y está dirigida específicamente al internet de las cosas. Cuenta con un rango cuatro veces mayor y el doble de velocidad.

LPWAN es un nuevo estándar de redes a nivel mundial, diseñado para redes inteligentes con dispositivos restringidos por los recursos, distribuidos a lo largo de grandes áreas, y su consumo energético es mínimo. Estas redes están diseñadas para aplicaciones del IoT con baja velocidad de datos, bajo coste, que requieren mayor durabilidad de las baterías y que funcionan en ubicaciones remotas o de difícil acceso.

El Internet de las cosas de banda estrecha (NB-IoT) es un estándar basado en LPWAN que hace posible una gran variedad de nuevos dispositivos y servicios del IoT. Permite a un gran número de sensores / dispositivos reunir y enviar datos en áreas extensas mientras preserva la vida de la batería. Estos dispositivos pueden durar años con la misma batería en vez de semanas o meses. Las pasarelas del IoT con frecuencia se requieren para el funcionamiento de este tipo de aplicaciones.

Las redes celulares son la columna vertebral del acceso a internet. Estas redes priorizan el alcance y el ancho de banda por encima del consumo energético. Pueden enviar muchos datos a largas distancias, pero agotan la batería bastante rápido. Las soluciones celulares para el IoT proporcionan transferencia de datos a larga distancia con baja latencia e incluyen LTE-M, basada en evoluciones de LTE, Cat-0 y Cat-1, EC-GSM y NB-LTE. Todos estos estándares funcionan a la perfección con las redes LTE y GSM ya existentes y soportan una amplia variedad de aplicaciones del IoT.

Algunas aplicaciones que requieren cobertura global y/o movilidad emplearán tecnologías celulares, pero la mayoría de los dispositivos del IoT utiliza tecnologías no celulares que comparten frecuencias en bandas sin licencia para comunicarse entre sí y con las aplicaciones del IoT en la nube.

Una solución de conectividad con cables utiliza el cable Ethernet para conectarse a la red. Las redes con cables son una infraestructura bien establecida a la que es fácil conectarse si ya se tiene una línea de teléfono fijo.

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Procesamiento

Los cuatro componentes principales del IoT son: los sensores, la red, el procesamiento de datos y una interfaz de usuario. En la mayoría de los casos, el proceso sigue un bucle compuesto por tres etapas simples: entrada, procesamiento y salida.

Los datos básicos de los sensores capturados primero deben pasar por la limpieza de datos y el procesamiento. El procesamiento se logra mediante el uso de varias técnicas de datos, como la eliminación de ruidos, la imputación, la detección de anomalías, la agregación y varias otras técnicas de manipulación de datos (clasificación, organización y cálculo). La integración de los datos o la fusión de los sensores es el proceso de combinar dos o más fuentes de datos, que ayuda a generar resultados implicados de sistemas dinámicos más precisos y consistentes en varias aplicaciones.

Los sistemas del IoT necesitan capacidades computacionales especiales para los datos y el almacenamiento. Es esencial almacenar grandes cantidades de datos para realizar el análisis y lograr los resultados esperados. El aprendizaje automático, la inteligencia artificial y las técnicas de aprendizaje profundo prometen ser soluciones para el análisis de las grandes cantidades de datos de los sensores del IoT. Estas tecnologías son revolucionarias, ya que se pueden usar para automatizar los procesos, predecir los fallos de los equipos y dar seguimiento a las amenazas contra la seguridad en tiempo real. Cuando las soluciones son completamente autónomas, la inteligencia artificial utiliza los dispositivos conectados de las redes del IoT para ayudar a mostrar el camino. Al aplicar la inteligencia artificial al análisis y la gestión de los datos del IoT, las organizaciones pueden reunir rápidamente información valiosa de estos enormes conjuntos de datos heterogéneos y responder a condiciones en tiempo real.

Existe una necesidad de integrar varias tecnologías emergentes, como la computación periférica, la computación en nube y la computación en la niebla, con el fin de lograr la computación eficiente de los modelos analíticos de datos. El análisis periférico analiza los datos en la periferia de la red en vez de hacerlo en una ubicación centralizada. Los datos se pueden analizar en tiempo real en los dispositivos mismos o en un sistema de pasarela cercano conectado con los dispositivos del IoT. Los dispositivos periféricos pueden funcionar como pasarelas permitiendo a otros dispositivos en la red comunicarse con otra central del IoT. Una pasarela periférica es un punto de acceso de red para aplicaciones que se comunican con servicios basados en la nube. Asimismo, con frecuencia proporcionan traducción entre redes que utilizan protocolos diferentes.

La computación en la nube usa grandes datos y tecnologías de sistema distribuido paralelo en el servidor de nube remoto. Gestiona un gran volumen de datos generados por los sensores del IoT, lo que permite al sistema prestar servicios eficientes para las aplicaciones del IoT. En el procesamiento de los datos de los sensores del IoT a nivel de la niebla, se extraen y procesan las características de los datos de los sensores para clasificarlas en diversos patrones de señal usando una red neuronal. Según el resultado de la clasificación de la red neuronal, se realiza la identificación de sucesos y la toma de decisiones en la niebla.

Las plataformas de computación y procesamiento periférico del IoT basadas en ordenadores de placa única ofrecen a los diseñadores un número creciente de soluciones rentables con buen soporte. También existen varios kits y herramientas de desarrollo disponibles para plataformas basadas unidades de microcontrolador (MCU), microprocesador (MPU), procesadores de señales digitales (DSP) y en matrices de puertas programables en campo (FPGA), que son las formas más eficientes de diseñar y desarrollar los sistemas basados en el IoT.

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Alimentación

Para el funcionamiento de los miles de millones de dispositivos del IoT conectados con internet es necesaria una gran cantidad de energía. Esto puede contribuir con el desperdicio de una cantidad considerable de potencia electrónica. Debido a que el IoT tiene eficiencia energética optimizada, una red del IoT heterogénea con diversos elementos computacionales se puede optimizar para varias tareas y puede responder automáticamente a las demandas de alimentación específicas de las aplicaciones. Se deben implementar bajas corrientes de reposo y bajo nivel de fuga en los circuitos y reducir la frecuencia de los ciclos del reloj para lograr ahorros de eficiencia energética en el sistema.

El procesamiento de grandes cantidades de datos y el uso de algoritmos inteligentes para el análisis de los datos en tiempo real ayudará a monitorizar el consumo energético. Para muchos sistemas del IoT, el acceso a alimentación constante es un problema recurrente. La dificultad puede residir en el tipo de implementación o el coste de conectar los dispositivos a la tensión de alimentación. Las consideraciones en el diseño incluyen los elementos principales del sistema, el microcontrolador, la interfaz inalámbrica y los sensores seleccionados, junto con la gestión de alimentación del sistema. Una forma importante de minimizar la demanda de alimentación es seleccionar el controlador / procesador correcto que pueda tener mayor eficiencia energética.

También es esencial el protocolo de red adecuado. Algunos protocolos pueden consumir más ancho de banda del necesario y usar demasiada energía para soportarlo. Se pueden lograr ahorros energéticos significativos mediante la gestión autónoma de las interfaces de sensores y otras funciones periféricas. En un nodo de sensores, la cantidad de datos que se envía mediante el enlace inalámbrico debe ser relativamente pequeña. Como tal, ZigBee es una solución de red de malla óptima; Bluetooth Smart es una excelente opción para una configuración de punto a punto conforme y de consumo sensible; y las soluciones sub-GHz patentadas ofrecen máxima flexibilidad para el tamaño de la red, el ancho de banda y la carga de los datos en configuraciones en estrella o de punto a punto.

El consumo energético en los modos activo y de bajo consumo, así como la necesidad de pasar rápidamente de los modos de bajo consumo al funcionamiento a toda velocidad, marcarán una diferencia significativa en la conservación de la energía de la batería. Una consideración final con respecto a las aplicaciones de bajo consumo es la alimentación del sistema como tal. Según el tipo de batería que se usa en la aplicación, con frecuencia se requieren convertidores elevadores o reguladores elevadores de conmutación.

Existen muchas maneras de evitar los problemas comunes de consumo energético en el IoT. Es posible combinar múltiples métodos de reducción y obtención de la energía para mejorar la eficiencia energética de los dispositivos del IoT. La obtención de la energía es uno de esos sistemas en que se realiza la conversión de una energía a otra mediante su entorno. Esta técnica avanzada se ha utilizado bastante en los últimos años y es una opción viable para ciertos despliegues. La reducción energética en un sistema se implementa a nivel del componente de hardware usando técnicas avanzadas de gestión de la energía y diversos modos de ahorro energético.

Para los sistemas más complejos, un circuito integrado de gestión de la energía (PMIC) ofrece un control más preciso a lo largo de todo el sistema. Es posible generar múltiples carriles de tensión a partir de una sola fuente de alimentación para los diferentes elementos del sistema embebido.

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Seguridad

Casi todas las aplicaciones del IoT que han sido desplegadas o están en proceso necesitan un alto nivel de seguridad. La adopción continua del IoT en muchas aplicaciones supone muchos desafíos de seguridad, como la privacidad, la heterogeneidad y la seguridad de los datos, necesarias para garantizar el funcionamiento seguro de los sistemas del IoT.

Cualquier aplicación del IoT se puede clasificar en una de las siguientes capas: detección, red, middleware o aplicación. Cada una de estas capas utiliza diversas tecnologías que suponen un número de problemas y amenazas de seguridad. La capa de detección tiene que ver principalmente con los sensores y los actuadores físicos del IoT. La capa de red tiene el propósito principal de transmitir la información desde la capa de detección hacia la unidad de computación para su procesamiento. La capa de middleware funciona como puente entre las capas de red y de aplicación. La capa de middleware incluye intermediarios, almacenes de datos permanentes, sistemas de enfilado, aprendizaje automático, etc. La seguridad de las bases de datos y las nubes es otro de los desafíos principales de seguridad en la capa de middleware. En la capa de aplicación, existen varias aplicaciones de extremo a extremo basadas en el IoT.

Varias pasarelas conectan estas capas para promover el flujo de los datos. La capa de pasarela es más amplia y conecta múltiples dispositivos, personas, objetos y servicios de nube. Ayuda a proporcionar soluciones de hardware y software para los dispositivos del IoT. El cifrado y descifrado de los datos del IoT, así como la traducción de los protocolos para la comunicación entre capas, se gestionan en las pasarelas.

El objetivo principal de la protección del IoT es garantizar la seguridad, privacidad y confidencialidad de los datos, así como la seguridad de las infraestructuras, los dispositivos y los servicios provistos en un entorno del IoT.

Las soluciones actuales y futuras para la seguridad ante amenazas en el IoT incluyen diversos mecanismos, como blockchain, computación periférica, computación de niebla y aprendizaje automático.

Blockchain es una buena defensa contra la manipulación de los datos de los dispositivos del IoT, que bloquea el acceso y permite la entrada de los dispositivos de cooperación en la red del IoT. Puede ser la mejor solución de seguridad y para preservar la privacidad de los datos del IoT, ya que ofrece una solución para muchos problemas de seguridad en el entorno del IoT, que es descentralizado por naturaleza, por lo que no es necesario que ninguna autoridad centralizada gestione la transacción.

Los dispositivos periféricos del IoT reúnen los datos de los sensores y se comunican entre sí. La periferia puede ser un conveniente punto de entrada a la red y a los sistemas principales, lo que la hace vulnerable a ciberataques y de seguridad física (alteración con un dispositivo). Cuando se intercambia una gran cantidad de datos aumenta la amenaza de violaciones de la privacidad de los datos, alteraciones de los productos por control remoto y ataques a los datos.

El aprendizaje automático parece ser una solución prometedora para proteger los dispositivos del IoT contra ciberataques mediante un enfoque de defensa diferente al de los métodos tradicionales. Muchos dominios están utilizando el aprendizaje automático en su desarrollo y también se está usando para la seguridad del IoT.

El fabricante de semiconductores Arm (la arquitectura de uso más prevalente en domótica para dispositivos de seguridad, lámparas y electrodomésticos, entre otros) ha introducido un nuevo marco de seguridad llamado PSA (Platform Security Architecture) para aumentar la seguridad en el IoT. Esto ayudará a los diseñadores de electrónica a incorporar la seguridad directamente en el firmware del dispositivo. La PSA también ofrece modelos de amenazas y soluciones de arquitecturas de firmware y hardware para la evaluación de la seguridad del IoT según un "enfoque de buenas prácticas" para los dispositivos de consumo.

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Almacenamiento

La computación de nube se basa en compartir los recursos, un requisito importante para las plataformas del IoT. En el proceso de computación en la nube, se reúne una gran cantidad de datos a partir de los dispositivos del IoT y se almacenan en servidores externos alquilados. Los usuarios pueden acceder a los servicios de nube desde cualquier ubicación mediante cualquier dispositivo con conexión a internet. La nube presta los servicios de aplicación con elasticidad y recursos a escala de fácil accesibilidad y disponibilidad. El proceso de encontrar el equilibrio entre el almacenamiento y el procesamiento de los datos en la periferia o en la nube es de suma importancia. Mantener demasiados datos en la periferia puede agobiar los dispositivos periféricos y afectar la aplicación entera.

La nube proporciona el espacio de almacenamiento y las capacidades computacionales a estos dispositivos del IoT como "servicios de nube". La Infraestructura como servicio (IaaS), la Plataforma como servicio (PaaS) y el Software como servicio (SaaS) son los tres tipos de servicios de nube disponibles. Algunas de las soluciones de plataforma de nube IoT populares incluyen Artik Cloud, Autodesk Fusion Connect, AWS IOT, GE Predix, Google Cloud IoT, Microsoft Azure IoT Suite, IBM Watson IoT, ThingWorx, Intel IoT Platform, Salesforce IoT Cloud, Telit DeviceWise, Zebra Zatar Cloud, macchina.io, ThingSpeak y Particle Cloud.

La tecnología de telecomunicaciones móviles 4G ofrece acceso a internet de banda ancha móvil a módems inalámbricos, smartphones y otros sistemas móviles. Los sistemas 4G tienen servicios de llave mejorados, como videollamadas de alta definición, mayor ancho de banda, alta transferencia de datos, mejor QoS y servicios de videojuegos online. Tiene una capacidad de 40 MHz de ancho de banda y establece un requisito de velocidad pico de 100 Mbps.

Un ejemplo es la plataforma de nube IoTConnect ® con el soporte de Avnet, que responde a las necesidades únicas de diversos sectores, como las ciudades inteligentes, la fabricación, la salud, el procesamiento de alimentos, el mercado comercial, la construcción, los servicios medioambientales y muchos otros. Las funcionalidades destacadas de la plataforma IoTConnect son: fácil configuración, notificaciones, análisis y monitorización en tiempo real, seguridad multicapa, integración, conectividad, interoperabilidad y software periférico. Algunos de los servicios que presta IoTConnect incluyen reglas inteligentes, gestión de dispositivos, análisis en tiempo real, monitorización remota, seguimiento de activos e infraestructura de datos.

La plataforma IoTConnect admite diversos protocolos de interfaz, como Bluetooth, 802.15.4/ZigBee o 6LoWPAN, ModBus, CAN bus, BACnet, CoAP, MQTTS, HTTPS, AMQP, etc. La plataforma IoTConnect puede conectar casi cualquier dispositivo del IoT con los protocolos industriales más potentes para apoyar la comunicación con la nube de la plataforma IoTConnect. También le permite conectar sus sistemas empresariales CRM y ERP para generar aún más inteligencia.

La plataforma IoTConnect utiliza una infraestructura definida por software que hace que sea fácil de actualizar e independiente de cualquier requisito específico del hardware. La IoTConnect® puede capturar y analizar grandes cantidades de datos, permitiendo a las empresas conectarse de modo seguro a una gran variedad de fuentes de datos, dispositivos, sensores, equipos y sistemas de control. Una vez se conectan todos los recursos, los datos se agregan, se filtran, se almacenan y se analizan. Luego los datos se convierten en informes fáciles de entender mediante el uso de herramientas de visualización de datos y se ponen a disposición de las personas correctas de forma oportuna para mejorar la toma de decisiones.

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