Tecnología para cumplir con la promesa de la IoT

Cuando Internet se hizo accesible al público hace más de 20 años, posibilitó una amplia gama de nuevos negocios y formas de trabajo. Al hacerlo, alteró los modelos comerciales tradicionales de “tienda física”. La Internet de las cosas (IoT) está lista para ir aún más lejos al introducir activos físicos en línea. Incluso las tiendas físicas en sí mismas podrían verse afectadas ya que se han incorporado sensores en los edificios para controlar su estado.

Mediante el uso de la inteligencia computacional en el mundo físico, la IoT permite volver a considerar los modelos comerciales tradicionales. Las empresas pueden preguntar: ¿qué es lo que los consumidores realmente necesitan y qué podemos hacer para apoyarlo? Ya hemos visto esta transformación en marcha en los motores a reacción fabricados para aviones. Los principales proveedores fueron los primeros en adoptar el modelo de la IoT mediante redes de comunicación, no solo para apoyar el mantenimiento de sus productos, sino también la forma en que las aerolíneas los compran.

El modelo alinea los incentivos de la aerolínea con los del fabricante de motores a reacción enfocándose en las partes más importantes del manejo de un transporte aéreo de forma rentable: reducir el tiempo de inactividad en tierra para permitir que sus aviones presten servicio en la mayor cantidad de rutas posible. Los sensores de los motores ofrecen actualizaciones en tiempo real que se combinan con datos más detallados sobre el estado, los cuales se obtienen cuando el avión está en tierra, en la entrada al aeropuerto. La información resultante brinda al fabricante del motor una visibilidad actualizada sobre el estado del motor, lo cual le permite programar el mantenimiento fuera de funcionamiento cuando sea más conveniente según los planes de vuelo.

El modelo comercial de motores a reacción en sí mismo está diseñado para incentivar al fabricante del motor a que mantenga el avión en el aire tanto como sea posible y, así, en lugar de comprar un motor, la aerolínea prácticamente renta la capacidad de mantener su flota en el aire. Los sensores y las comunicaciones internacionales ofrecen al fabricante del motor la capacidad de cumplir la promesa de su modelo comercial.

Los mismos principios pueden extenderse a muchos otros mercados. Por ejemplo, los fabricantes de automóviles pueden pasar de su papel tradicional de proveedores de productos a proveedores de transporte confiable. Otros proveedores de la cadena de valor automotriz pueden desempeñar un papel. En lugar de vender neumáticos a conductores a intervalos irregulares, los fabricantes pueden utilizar un modelo de renta que se mejora con el uso de sensores, algunos de los cuales ya están instalados en los neumáticos.

Figura 1: Diagrama de ejemplo de aplicación del sistema, con el sensor de control de presión de neumáticos de NXP Semiconductor, familia FXTH87 (Fuente: NXP).

Al vincular el sistema de control de presión de neumáticos a la IoT junto con los datos de conducción, las aplicaciones en la nube pueden informar al conductor sobre horarios y lugares convenientes para detenerse en una estación de servicio y recargar la presión y, si los datos de conducción indican un uso intenso, verificar la profundidad de banda y el estado de los neumáticos. Cuando el desgaste se acerca al punto en que se deben cambiar los neumáticos, el conductor puede registrarse en un lugar de cambio de neumáticos cuando sea conveniente en lugar de esperar el mantenimiento anual. Este enfoque brinda mayor valor al consumidor y mayor previsibilidad de flujo de ingresos al fabricante de neumáticos.

En el ámbito de los seguros, la transformación puede ser más drástica. En lugar de que las aseguradoras utilicen la información actuarial para simplemente calcular los riesgos cuando elaboran las pólizas, los proveedores pueden tener un papel más activo en la reducción de riesgos y sus costos generales, lo cual les brinda más valor a ellos mismos y a los consumidores. Por ejemplo, uno de los mayores costos del seguro de hogar es la limpieza y la sustitución de elementos luego de que la propiedad se haya inundado debido a la rotura de una tubería. Cuanto más tiempo lleve arreglar la rotura de la tubería, mayor será el costo. Por lo tanto, las propiedades desocupadas pueden generar altos costos de limpieza.

Si los sensores del hogar detectan agua de manera que indique el comienzo de una inundación, una válvula automatizada puede cortar el suministro de agua de la tubería principal y reducir en gran medida el posible daño. Los sensores pueden detectar otros problemas para que la aseguradora pueda brindar servicios para tratarlos antes de que cuesten dinero. De este modo, el papel de la aseguradora cambia a uno de garantía.

Existen varias tecnologías facilitadoras que permiten que las empresas aprovechen la IoT al máximo. Como se muestra en los ejemplos anteriores, los sensores y la comunicación son dos tecnologías fundamentales. Sin embargo, es importante tener en cuenta la infraestructura que posibilita el sistema general.

En la mayoría de las aplicaciones parecidas a la IoT existentes, el papel de la infraestructura de comunicaciones es más similar a la de una intranet. El fabricante ha implementado los sensores y, con frecuencia, también administra la red, aunque puede alquilar la capacidad de una infraestructura de comunicaciones existente, como la comunicación celular. La IoT ofrecerá el valor máximo al permitir el uso de datos y redes de múltiples proveedores para crear una aplicación única.

Por ejemplo, el propietario puede instalar los sensores de agua, y la empresa de agua, la válvula automatizada. La clave para coordinar sus acciones radica en el software desarrollado por la aseguradora, el cual puede funcionar en diversas ubicaciones. Los algoritmos principales que resuelven si la lectura del agua indica una inundación se ejecutan con frecuencia en servidores en la nube. Estos servidores pueden ser propiedad del servidor directamente o estar alquilados a un proveedor, como Amazon Web Services o el servicio Azure de Microsoft.

Para garantizar una respuesta en tiempo real, cierta parte de la aplicación puede ejecutarse en una entrada de IoT que esté mucho más cerca de los sensores y actuadores. Esta entrada representa uno de los mayores cambios en la arquitectura informática que se debe hacer para obtener el mayor provecho de la IoT.

En un nivel, una entrada de IoT realiza las mismas funciones que el enrutador en un hogar, una oficina o una celda industrial. Recoge datos de múltiples nodos de sensores, transmite comandos a los actuadores y provee información a la nube. Las conexiones entre la entrada y los diversos nodos de la IoT forman parte de la capa de "niebla” que los distingue de las conexiones en la Internet más amplia en la nube.

Una de las indicaciones probables en los diseños de entrada es hacer que sean host de las aplicaciones de IoT. Una arquitectura virtualizada basada en torno a un hipervisor permite la separación de las funciones principales de administración de red y enrutamiento de las aplicaciones descargables que pueden provenir de diversos proveedores de servicios y de equipos. El grupo Prpl ha demostrado la arquitectura y ha desarrollado un hipervisor que puede soportarla, proporcionándola en forma de código abierto. Esto hará que sea fácil para los fabricantes implementar las funciones principales de una entrada de IoT y, para los autores de aplicaciones, que sea fácil crear un software que se ejecute en ellas.

Para la red de niebla, los integradores y desarrolladores se enfrentan a una serie de opciones que varían drásticamente en cuanto al alcance, velocidad de datos y otras capacidades. La naturaleza amplia de la IoT significa que no hay una solución única.

Tenga en cuenta la variedad incluso dentro del campo emergente de la agricultura inteligente. Cierta parte se llevará a cabo en zonas industriales abandonadas relativamente pequeñas, en donde los cultivos crecen en invernaderos. Aunque el ambiente del invernadero hace que sea relativamente fácil controlar el riego de las plantas, la naturaleza cerrada de esta forma de agricultura tiende a llevar a la rápida propagación de enfermedades.

La agricultura tradicional de campo tiene un grupo diferente de desafíos. Las enfermedades e infestaciones de plagas son problemas, pero la clave para el crecimiento de un cultivo eficiente sin desperdiciar el agua es controlar los efectos del riego a nivel del suelo. Al controlar los niveles de humedad en el suelo mismo, los sensores pueden proveer información a las aplicaciones que controlan el riego altamente dirigido. Solo cuando el nivel de humedad baja demasiado en una parte particular del campo, se activa el riego. Otras partes del campo no se riegan a fin de evitar el exceso de riego. Dichas técnicas ya se aplican a las zonas secas, como California, que ha sido afectada por las condiciones de sequía en los últimos años.

En el ambiente del invernadero, los datos del suelo pueden ser importantes. Pero, debido a que es posible reciclar el agua, la conservación no es tan importante. En su lugar, se pueden utilizar medios de cultivo hidropónico con un tipo diferente de sensor para controlar las velocidades de flujo a fin de mantener una buena distribución de nutrientes. Para controlar las enfermedades, se pueden utilizar vehículos aéreos no tripulados (UAV) a fin de inspeccionar los cultivos e identificar aquellos que necesitan un tratamiento urgente o su eliminación para evitar infectar al resto de los cultivos.

Las demandas de comunicación entre las dos formas de agricultura pueden ser muy diferentes. La comunicación de gran ancho de banda es más importante en el ambiente del invernadero para permitir un mejor reconocimiento de los síntomas de la enfermedad por parte de las aplicaciones de entrada o en la nube. Sin embargo, el ambiente localizado permite el uso de protocolos de corto alcance y de mayor ancho de banda como Bluetooth o Wi-Fi. El ambiente al aire libre del agricultor tradicional es menos apto para las redes de niebla de alcance limitado, pero se pueden implementar otras opciones, como LoRaWan o celular.

Aunque fue desarrollado principalmente como una red de área personal para dispositivos que se comunican con los teléfonos celulares, el espacio de aplicación para Bluetooth se ha ampliado drásticamente mediante una serie de mejoras del protocolo y continúa haciéndolo. Uno de los cambios desarrollados por Bluetooth Special Interest Group (SIG) multiplicará por cuatro el alcance de transmisión normal de 100 metros. La ampliación del alcance reduce la tasa de bits, pero el protocolo es adaptable, de modo que los nodos más cercanos pueden utilizar las velocidades de transmisión más altas. Los dispositivos poco espaciados verán un aumento en la velocidad de datos en 2 Mbit/s como consecuencia del cambio.

Otro de los cambios que alinea a Bluetooth con otras redes orientadas a la IoT como 6LoWPAN y Zigbee es la adición de soporte para las redes en malla. La especificación IEEE 802.15.4 para la comunicación inalámbrica, en la cual se basan 6LoWPAN y Zigbee, fue diseñada para soportar las redes en malla, que se pueden utilizar para ampliar el alcance y la resistencia efectiva de dichos protocolos de red de niebla.

Una red en malla permite que los paquetes viajen una gran distancia mediante la comunicación de corto alcance. Esto se logra al permitir que un paquete utilice saltos cortos entre los nodos que se encuentran entre el origen y el destino. La técnica de malla mejora la resiliencia ya que, si falla un nodo, con frecuencia hay otro que se puede utilizar para transmitir datos. La técnica de malla permite colocar sensores en lugares de difícil acceso (como en el techo del invernadero) a pesar de que estén fuera del alcance directo del nodo de entrada de la IoT.

Las revisiones de Bluetooth también tienen en cuenta la naturaleza heterogénea de la IoT, ya que permiten que los nodos del sensor que soportan el protocolo interactúen con los dispositivos 6LoWPAN. Aunque fue presentado antes que Zigbee, es probable que 6LoWPAN sea más frecuente en las instalaciones de IoT gracias a que fue adoptado por el grupo de protocolos Thread. Thread agrega funciones tales como la autenticación y el cifrado de 6LoWPAN para mejorar la seguridad general.

Los protocolos como 6LoWPAN operan no solo en la banda de 2.4 GHz que emplean Bluetooth y Wi-Fi, sino también en las bandas de sub-gigahercios exentos de licencia, como 868 MHz. Este alcance de frecuencia más baja soporta tasas de bits relativamente bajas debido al uso de transmisiones de banda estrecha. Sin embargo, este alcance tiende a aumentar sin afectar demasiado el consumo de energía. Como consecuencia, el funcionamiento en sub-gigahercios se adapta a la implementación de nodos de sensores inalámbricos en situaciones en donde las redes en malla son menos adecuadas, pero que necesitan una transmisión a mayor distancia. Un ejemplo es el de los sensores implementados en tramos de la ruta, con las entradas espaciadas a intervalos regulares para transmitir mensajes desde y hacia la nube.

Al cambiar a un protocolo como LoRaWan o SIGFOX, es posible que una sola entrada se mantenga en contacto con una gran cantidad de sensores que pueden estar esparcidos por el campo con un alcance de un kilómetro o más.

Figura 2: Semtech SX1272/73: Transceptor de largo alcance y baja potencia de 860 MHz a 1020 MHz: diagrama de bloques.

El protocolo LoRaWan fue desarrollado por Semtech, que junto con Microchip Technology y STMicroelectronics suministra transceptores compatibles. La disponibilidad inmediata de silicio ofrece una opción para los desarrolladores e integradores de aplicaciones de IoT sobre la naturaleza de la red de niebla. Pueden implementar su propio hardware de entrada o utilizar las redes públicas, tanto públicas como privadas. Actualmente no solo se implementan redes LoRaWan comerciales, sino que los voluntarios implementan sus propias ofertas gratuitas. Un ejemplo es la ciudad de Ámsterdam, en los Países Bajos, que está cubierta casi por completo de solo once entradas implementadas por los miembros de la organización The Things Network.

La mayoría de los transceptores desarrollados para las comunicaciones de 868 MHz y bandas similares pueden utilizar el protocolo SIGFOX. Esto está planeado principalmente para la comunicación unidireccional de baja velocidad de datos con los nodos de entrada instalados por la empresa que desarrolló el protocolo.

Otra opción para la comunicación a mayor distancia es utilizar celulares de 3G y 4G. El grupo de estandarización de 3GPP ya ha desarrollado una versión del protocolo LTE de 4G para aplicaciones de IoT y está trabajando en otra (IoT de banda estrecha) que reducirá la complejidad y el consumo de energía.

Como consecuencia de los desarrollos en la infraestructura de las comunicaciones, los dispositivos de IoT encontrarán muchas maneras de conectarse a la niebla y la nube. La clave será vincular estos sistemas dispares, y es aquí donde las normas para el software y los datos serán clave.

Los protocolos como el Protocolo de aplicaciones restringidas (CoAP) permiten ampliar el beneficio de las normas de Internet, como el Protocolo de Transferencia de Hipertexto (HTTP), en los nodos de sensores a través de la red de niebla. CoAP brinda acceso a HTTP en una forma que se ajusta bien a los microcontroladores con recursos de memoria y procesamiento restringidos. CoAP soporta el mismo modelo de programación de transferencia de estado representacional (REST) que se ha generalizado en el desarrollo de las aplicaciones basadas en Internet. Sin embargo, emplea un sistema binario en lugar del formato textual que es más compacto que el HTTP tradicional, y así se adapta a las conexiones con baja velocidad de datos.

Figura 3: capacidad de calidad de servicio (QoS) de MQTT (MQTT de origen: un protocolo práctico para el Internet de las cosas: IBM MessageSight Solutions)

Otros protocolos, como Transporte de Telemetría de MQ (MQTT), soportan una arquitectura de aplicación alternativa. MQTT soporta un modelo de publicación-suscripción, a diferencia de la arquitectura de cliente-servidor del CoAP. La arquitectura de publicación-suscripción se adapta a la IoT, ya que proporciona datos de los nodos de sensores individuales de diferentes aplicaciones sin exigir el acceso directo a los nodos en sí para cada una. Esto reduce la demanda en la red de niebla y permite escalabilidad. El CoAP y el MQTT no son mutuamente excluyentes. Las entradas pueden recoger datos mediante el CoAP y luego brindar acceso a otras aplicaciones que utilizan MQTT u otros protocolos que puedan surgir.

La clave es que la arquitectura que ya se está implementando soporte la interoperabilidad y, gracias a esto, cumpla con una de las promesas clave de la IoT: que las aplicaciones innovadoras y rentables se puedan desarrollar rápidamente sin exigir una inversión de infraestructura cada vez.

Por ejemplo, luego de haber implementado UAV y otros sensores para controlar cultivos, los agricultores podrían ajustar las decisiones de la cosecha según los datos de mercado o la situación de transporte. Una aplicación basada en la nube que monitorea la demanda de alimentos puede ocasionar que los sistemas de cultivo aceleren la cosecha para hacer frente a la necesidad creciente. Otra aplicación puede operar un sistema de cosecha justo a tiempo que garantice máxima frescura. Solo cuando un camión está cerca de la granja, comienza la cosecha de ese día, con el cultivo garantizado listo cuando llega, gracias al uso de un software predictivo que utiliza datos de los UAV para determinar la cantidad de cosecha que está lista para recolectar.

No es necesario agregar sensores a los camiones para determinar su posición y probables horarios de llegada: ya están incorporados. El único requisito es que los datos estén disponibles para la aplicación, lo cual se puede organizar a través de protocolos como CoAP y MQTT.

La IoT abarca las comunicaciones, la tecnología de sensores, la inteligencia basada en la nube y los protocolos de software abierto. La IoT promete ofrecer un nuevo mundo de capacidades impulsadas por los modelos comerciales que serían impensables sin la combinación de estas tecnologías.