Los 7 componentes principales del ecosistema IoT

Internet de las Cosas (IoT) se refiere a una colección de cosas interconectadas que son capaces de detectar, actuar y comunicarse en una amplia red con o sin intervención humana directa. También son capaces de actuar de forma autónoma en función de los cambios del entorno activando procesos y compartiendo esta información en la red para procesar y generar información valiosa sobre su entorno. Se trata de una tecnología consolidada y en rápido crecimiento, con más de 20.000 millones de dispositivos identificados como dispositivos IoT para 2025.

Los conceptos básicos de IoT son "objetos inteligentes" y "entornos inteligentes". Un objeto inteligente es un objeto físico dotado de procesador, sistema de almacenamiento de datos, sistema de sensores y tecnología de red para la comunicación. Algunos de estos objetos pueden afectar a su entorno mediante actuadores. Siguiendo la misma definición, un entorno inteligente se refiere a la extensión física en la que se despliegan e interactúan los objetos inteligentes. Tras comprender brevemente el marco de IoT, veamos ahora sus principales componentes.

Cosa o dispositivo

En IoT, las cosas y los dispositivos se denominan componentes, como sensores, actuadores y, en ocasiones, wearables, que llevan incorporados sensores y actuadores. Se despliegan en la capa física de una arquitectura IoT que actúa como columna vertebral del marco IoT. Las principales funciones de estos objetos y dispositivos son detectar y recopilar datos del entorno e implementar cualquier mecanismo de control necesario para controlar las variables requeridas en el entorno.

1. Sensores

Son los componentes encargados de detectar y percibir cualquier cambio y lectura del entorno. Hoy en día los sensores pueden detectar casi cualquier cosa, desde la temperatura hasta la presión sanguínea humana, pasando por sensores avanzados capaces de medir otras complejidades. Todas estas funcionalidades se consiguen aún ocupando un espacio muy reducido gracias a tecnologías modernas como la integración a muy gran escala (VLSI). La VLSI ha dado origen a un nuevo conjunto de sensores avanzados conocidos como sistemas microelectromecánicos (MEMS) que ahora son muy comunes en la mayoría de las aplicaciones de IoT. A continuación se indican algunas de las categorías de sensores más utilizadas:

• Sensores de temperatura: Estos sensores miden las variaciones de temperatura en el entorno de detección. Existen diferentes tipos de sensores de temperatura en función de la tecnología de detección de la temperatura, como los termopares, los termistores, los sensores de infrarrojos y los detectores de temperatura de resistencia (RTD).
• Sensores de proximidad: Estos sensores detectan la presencia o ausencia de un objeto cercano o sus propiedades. Existen distintos tipos de sensores de proximidad, como los inductivos, los capacitivos, los ultrasónicos y los fotoeléctricos.
• Sensores de detección de movimiento: Estos sensores detectan cualquier movimiento físico en una zona determinada. Los sensores ultrasónicos, los sensores de infrarrojos pasivos (PIR) y los sensores de microondas son algunos de los sensores más utilizados.
• Sensores ópticos: Estos sensores son capaces de captar fotones de luz y convertirlos en señales para interpretar información importante sobre el entorno.
• Sensores de presión: Estos sensores detectan cualquier cambio de presión en el entorno de detección.
• Giroscopios y acelerómetros: Estos sensores son capaces de medir cualquier movimiento de rotación y aceleración.
• Sensores químicos y de gas: Estos sensores detectan la presencia de determinados productos químicos y gases en el ambiente. Existen diferentes tipos y familias de estos sensores en función de las necesidades.
• Sensores de humedad: Miden la humedad del ambiente.

2. Actuadores

Son lo contrario de los sensores. Actúan sobre el entorno en función de determinadas instrucciones o datos de detección. Veámoslo con un ejemplo. Consideremos una aplicación IoT desplegada en la agricultura para controlar el flujo de agua a la vegetación. Para ello, podemos utilizar sensores de nivel de agua y sensores de humedad del suelo para detectar el nivel de agua en el suelo. Ahora, podemos suministrar agua utilizando bombas mediante el control de una válvula. En este caso, la válvula actúa como un actuador. Cuando los sensores detectan un exceso de agua, envían una señal a las válvulas, que son los actuadores para cerrar la bomba.

El tipo de actuador empleado dependerá de la vertical y del caso de uso. Pueden ser necesarios para encender o apagar un interruptor o controlar una válvula, como en nuestro ejemplo anterior, o pueden requerir acciones avanzadas como agarrar, girar y rotar.

Conectividad y redes

Las aplicaciones IoT implican que dispositivos, sensores, actuadores y la nube se comuniquen entre sí para tomar decisiones y procesar los datos recogidos. Para ello, es esencial establecer medios de interconexión entre estos componentes en un ecosistema IoT. Por lo tanto, la conectividad es otro componente esencial en la realización de aplicaciones IoT. En general, existen dos tipos de metodologías de comunicación para establecer la conectividad: la comunicación inalámbrica y la comunicación por cable. La elección entre estas dos depende totalmente del caso de uso y del vertical.

Protocolos de comunicación

Ahora, una vez que se recogen los datos y se obtienen los datos de control necesarios, es necesario comunicar estos datos a la plataforma en la nube o al borde, según sea necesario. Para ello, las aplicaciones IoT utilizan diferentes tipos de protocolos de comunicación.

Cuando los nodos de borde (incluidos sensores y actuadores) se establecen en un radio de acción cercano, se denominan colectivamente redes de área personal (PAN). Las PAN suelen emplear protocolos no basados en Internet para la comunicación. Sin embargo, también existen protocolos basados en IP. Estos protocolos para PAN se definen en la norma IEEE 802.15 sobre redes inalámbricas de área personal. Algunos de estos protocolos son Bluetooth 5, ZigBee y los protocolos Z-Wave. Además, protocolos como 6LoWPAN salen a la luz para tener protocolos basados en IP también en las PAN.

En el caso de que los nodos de borde estén distribuidos en una amplia zona, se conocen colectivamente como redes de área extensa (WAN) o redes de área local (LAN). Estos dos términos se utilizan a veces indistintamente. Estas LAN utilizan protocolos de comunicación basados en IP para comunicarse entre los dispositivos de los nodos y la nube. Dado que requieren protocolos de comunicación de largo alcance con una cantidad considerable de energía para viajar. Algunos de los protocolos más conocidos son LoRaWANMQTT, HTTP, celular (4G/3G) y Wi-Fi son algunos de los protocolos de comunicación más utilizados.

Nube

La nube IoT puede considerarse el lugar donde reside la "inteligencia". La nube recopilará todos los datos recogidos a través del protocolo de comunicación pertinente y llevará a cabo el procesamiento necesario. La nube IoT, además de recopilar y procesar datos, puede almacenarlos y gestionarlos en tiempo real. Por lo tanto, un factor importante a la hora de decidir un servicio en la nube adecuado es tener en cuenta la latencia de los servicios en la nube. Los proveedores de servicios en la nube ofrecen una amplia gama de productos Todo como Servicio (XaaS). Los servicios incluyen Redes como Servicio (NaaS), Software como Servicio (SaaS), Plataforma como Servicio (PaaS) e Infraestructura como Servicio (IaaS). El usuario puede decidir qué servicio utilizar en función de su caso de uso de IoT y su vertical.

Simplificando las cosas, la nube IoT consistiría en una red de servicios optimizados para los servicios anteriores y la gestión de una enorme cantidad de datos en tiempo real. También contendría un sistema de base de datos de gestión distribuida.

A pesar de la facilidad y el menor coste operativo, ha surgido una nueva tendencia a procesar y gestionar los datos relevantes en el propio borde, lo que ha dado lugar a nuevos conceptos como Edge computing y Fog computing. La preferencia entre la nube y el edge computing depende de la aplicación, siendo preferible el edge computing cuando se necesita procesar grandes cantidades de datos in situ.

Analítica de IoT

Los datos físicos que adquieren los sensores se convierten en señales digitales en el borde y estas señales digitales pueden tener consecuencias procesables. Por ejemplo, podemos necesitar clasificar las constantes vitales de los pacientes como graves o sanas. Para ello, podríamos recoger datos del paciente mediante sensores y recopilarlos como datos de series temporales y procesarlos mediante un motor basado en reglas para hacer nuestra predicción. En caso de emergencia, la precisión y la velocidad de este motor basado en reglas desempeñan un papel fundamental. Además, es importante ejecutar una acción inmediata para la predicción.

Para realizar estas funciones, podemos desplegar modelos de aprendizaje profundo para el análisis predictivo y diversas técnicas de aprendizaje automático para predecir tendencias, resolver problemas de regresión, idear la previsión de eventos e incluso tomar decisiones útiles.

La analítica requiere una capacidad de almacenamiento y una potencia de cálculo considerables para llevar a cabo estas operaciones y tomar decisiones inteligentes. Por ello, lo ideal es alojarlas en la nube de IoT. Sin embargo, conceptos emergentes como TinyML han abierto las puertas a la toma de decisiones en el propio borde.

Interfaz de usuario

Este es el componente en el que el usuario final interactuará activamente con nuestro ecosistema IoT. El usuario puede controlar todo el sistema y establecer los cambios y preferencias que desee. Por lo tanto, la interfaz de usuario actuará como la abstracción de alto nivel de todo el sistema.

La interfaz de usuario puede estar integrada en el propio dispositivo o instalarse en wearables, teléfonos inteligentes, tabletas o en forma de aplicación web. Los cuadros de mando IoT son otra plataforma muy popular, pero a veces se requieren ciertos conocimientos técnicos para interactuar con ellos. Por último, si alguna vez tienes la oportunidad de diseñar una interfaz de usuario, recuerda que el diseño es una consideración importante. Añade fuentes atractivas, soporte de voz e interfaces táctiles para que el producto sea más competitivo en el mercado.

Veamos ahora más componentes adicionales en un ecosistema IoT.

Seguridad

Se trata de un componente que los diseñadores y arquitectos de IoT suelen pasar por alto a la hora de diseñar aplicaciones IoT, lo que ha provocado que cada día haya más dispositivos vulnerables a los ataques. Un sistema seguro debe contar con una estrategia de oposición, una estrategia de recuperación y debe ser capaz de reconocer cualquier ataque malicioso al sistema.

Idealmente, estos sistemas de seguridad pueden desplegarse en la nube e incorporarse a los componentes de red.

Pasarela IoT

Pasarelas IoT se han convertido en un componente popular con el creciente número de sensores y dispositivos de nodos que se conectan a un sistema IoT determinado. Esto está facilitando la gestión del tráfico de datos y, además, pueden proporcionar medidas de seguridad de datos junto con el preprocesamiento de datos para eliminar datos no deseados o corruptos. Además, las pasarelas IoT más avanzadas están equipadas con capacidad para analizar datos y tomar decisiones inteligentes, lo que por otro lado reduce la carga del servicio en la nube.

Conclusión 

Internet de las Cosas, que ya es una tecnología madura, ha experimentado un rápido crecimiento con el avance de nuevas tecnologías y nuevos protocolos que se incorporan al dominio. Es probable que adquiera una nueva dimensión con la llegada de nuevas tecnologías de comunicación como la 5G y que tenga un futuro prometedor.