Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el...

Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el internet de las cosas

Daniela Díaz Molina [email protected]

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


12

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

Biblioteca Fray Alberto Montealegre OFM - Bogotá.

Biblioteca Fray Arturo Calle Restrepo OFM - Medellín, Bello, Armenia, Ibagué.

Departamento de Biblioteca - Cali.

Biblioteca Central Fray Antonio de Marchena – Cartagena.

Universidad de San Buenaventura Colombia

Universidad de San Buenaventura Colombia - http://www.usb.edu.co/

Bogotá - http://www.usbbog.edu.co

Medellín - http://www.usbmed.edu.co

Cali - http://www.usbcali.edu.co

Cartagena - http://www.usbctg.edu.co

Editorial Bonaventuriana - http://www.editorialbonaventuriana.usb.edu.co/

Revistas - http://revistas.usb.edu.co/

Biblioteca Digital (Repositorio)

http://bibliotecadigital.usb.edu.co

https://co.creativecommons.org/?page_id=13https://co.creativecommons.org/?page_id=13


13

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.


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


15

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


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


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


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

https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031601https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031602https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031603https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031603https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031605https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031606https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031607https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031608https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031609https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031610https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031616https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031617https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031618https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031619https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031620https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031621https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031622https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031623https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031624https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031625https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031626https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031627https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031628https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031629https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031630https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031630https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031630


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

https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031631https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031632https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031633https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031634https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031636https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031636https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031637https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031639https://d.docs.live.net/91533b53bda425a5/trabajo%20de%20grado/libro_final/IoT_impresion%20-%20copia.docx#_Toc10031639

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


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


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.


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


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,


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


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


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.


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


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


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.


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


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


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.


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


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


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


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]


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.


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


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


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]


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

Facebook

8 SSL: Secure Sockets Layer (capa de puertos seguros)


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]


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/


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



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)


Fig. 8 Topología en anillo



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



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.


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


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]


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.”


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.


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


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


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


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


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.


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.


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..


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.


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

Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el...

Documents

Transcript of Implementación de las prácticas de laboratorio sobre el...